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
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Abstract
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
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
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:
In
Die
Hohlkugel
In
inneren Wandoberflächen
Die äußeren Wandoberflächen
Die
Steigung der spiralförmigen
Nute
Breite
und Tiefe der Nut
Dies
ermöglicht
es, den Heizleiter
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
Die
Räume
Im
Gehäuse
Die Öffnung
Im
Betrieb ist die strahlende Öffnung
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
Die
Vorteile eines ummantelten Heizleiters
Der
ummantelte Heizleiter
Insbesondere
wenn Schwarzkörper
auf hohe Temperaturen von 500 bis 1000°C aufgeheizt werden sollen,
ist darauf zu achten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient
eines ummantelten Heizleiters
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
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
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
Um
Fehler der Temperaturfühler
aufgrund von Alterung auszuschließen, werden die Fühler in bestimmten
Intervallen erneut kalibriert.
Der
Flansch
Diese
Führung
aus Flansch
Im
normalen Betrieb befindet sich das Isoliermaterial
Durch
Aufheizen der Hohlkugel
Es
können
weitere Temperaturfühler
an anderen Stellen der Oberfläche
Werden
Abweichungen von der Temperaturhomogenität festgestellt, so werden diese
im Kalibrierverfahren dergestalt berücksichtigt, dass die innere
Wandoberfläche
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:
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.
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
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
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:
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,
Der vom Kollimator überdeckte Raumwinkel ist: wobei mit fK die optische Brennweite des Kollimators bezeichnet ist.The solid angle covered by the collimator is: 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 in1 - 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 of41 - 4343
-
halbkreisförmiger Boden
von
4 semicircular bottom of4 - 4444
- Verstemmungcaulking
- 4545
- oberer Nutrandupper slot edge
- 4646
- Flanschflange
- 55
- Heizleiterheating conductor
- 66
- Kollimatorcollimator
- 6161
-
Oberfläche von
6 Surface of6 - 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 of8th
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- 2003-11-28 DE DE10356352A patent/DE10356352B3/en not_active Expired - Fee Related
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