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Farbpyrometer mit zwei flächenhaften Strahlungsempfängern Es ist bekannt,
bei Farbpyrometern zwei Fotoelemente aus Halbleiterwerkstoff als Strahlungsempfänger
zu verwenden. Besonders geeignet sind hierzu Fotodioden aus Silizium, jedoch lassen
sich auch andere Halbleiterwerkstoffe, insbesondere solche aus Elementen der IV.
Gruppe des periodischen Systems oder Mischverbindungen aus Elementen der III. und
V. Gruppe zur Herstellung von Strahlungsempfängern verwenden. Die Empfänger werden
als Fotoelemente, Fototransistoren oder Fotowiderstände ausgebildet.
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Um die einfallende Strahlung in zwei Strahlungswege aufzuteilen und
auf die beiden Empfänger zu leiten, sind beispielsweise Prismen oder zur Achse der
Strahlungswege geneigte halbdurchlässige Spiegel verwendet worden. Die von metallischen
Strahlern ausgehende Strahlung ist jedoch in der Regel polarisiert, und zwar um
so stärker, je stärker die strahlende Fläche zur Visierrichtung des Pyrometers geneigt
ist.
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Da auch an reflektierenden Flächen von Prismen oder halbdurchlässigen
Spiegeln, die zur Strahlenteilung dienen, innerhalb des Pyrometers Polarisationserscheinungen
auftreten, entstehen unkontrollierbare Meßfehler. Außerdem ist die Anzeige abhängig
von der räumlichen Lage des Pyrometers. Wenn z. B. das Pyrometer um seine Achse
gedreht wird, ändert sich die Anzeige, da eine Änderung der Polarisation auch eine
Änderung des Intensitätsverhältnisses in den Strahlenwegen bedeutet. Aus diesem
Grunde wurde bereits vorgeschlagen, vor der Aufteilung der Strahlung ein Polarisationsfilter
einzusetzen, so daß auf die reflektierenden Flächen ausschließlich polarisierte
Strahlung fällt. Durch diese Maßnahme werden die infolge der Polarisationserscheinungen
entstehenden Fehler zwar vermieden, jedoch absorbiert das Polarisationsfflter etwa
die Hälfte der einfallenden Strahlungsenergie.
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Für die Temperaturmessung an Glasschmelzen ist es bereits bekannt,
zwei Vielfachthermoelemente in Achsrichtung der Strahlung hintereinander anzuordnen
und die Thermoelemente des zweiten Vielfachelements so zu legen, daß sie von der
Strahlung getroffen werden, die durch die Lücken der Thermoelemente des ersten Vielfachelements
hindurchtritt.
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Die Thermoelemente werden z. 3. sternförmig ausgebildet, so daß ihre
Meßstellen auf einem Kreisring liegen. Die Strahlung wird zunächst durch eine Calziumfluoridlinse
auf den ersten Empfänger geleitet. Zwischen den beiden Vielfachthermoelementen ist
ein Quarzfenster angeordnet, das nur Strahlung unterhalb der Wellenlänge von 5 cm
durchtreten läßt.
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Beide Vielfachelemente sind in Differenz geschaltet, damit nur das
Spektralgebiet oberhalb 511 für die Messung ausgenutzt wird. Bei diesem Gerät handelt
es sich jedoch nicht um ein Farbpyrometer, sondern um ein Teilstrahlungspyrometer.
Außerdem würden sich bei der Verwendung von hintereinandergeschalteten Thermoelementen
für Farbtemperaturmessungen schwerwiegende Nachteile ergeben. Das Gerät muß z. 3.
einen großen Öffnungswinkel besitzen, da die Vielfachthermoelemente eine verhältnismäßig
große Fläche einnehmen und diese Fläche vollständig ausgeleuchtet werden muß. Außerdem
schirmen die Thermoelemente des ersten Vielfachthermoelements einen Teil der einfallenden
Strahlung ab, so daß nicht Strahlung von der gleichen strahlenden Fläche des Strahlers
auf beide Strahlungsempfänger gelangen kann. Die bekannte Anordnung wäre also auch
unter zusätzlicher Verwendung von entsprechenden Filtern für die Farbtemperaturmessung
wenig geeignet.
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Für die Bestimmung der Farbtemperatur wurde außerdem bereits vorgeschlagen,
hinter einem Vielfachthermoelement in Achsrichtung der Strahlung ein Selenfotoelement
anzubringen. Das Thermoelement als Gesamtstrahlungsempfänger nimmt dabei Strahlung
des ganzen Spektralbereiches auf, während das Selenfotoelement nur in einem Teilbereich
empfindlich ist. Beim Vergleich der Gesamtstrahlung mit einer Teilstrahlung, die
im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt, ergeben sich jedoch erhebliche Meßfehler,
da der Gesamt-Emissionskoeffizient von Metallen vom Emissionsvermögen im sichtbaren
Gebiet sehr unterschiedlich und von Metall zu Metall so verschieden sein kann, daß
selbst unter Berücksichtigung von mittleren Korrekturwerten eine einigermaßen zuverlässige
Temperaturmessung nicht mehr
gewährleistet ist. Außerdem hat dieses
Gerät den Nachteil, daß zur Ausleuchtung des Thermoelements ein großer öffnungswinkel
für die einfallende Strahlung vorhanden sein muß.
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Für die Bestimmung der Farbtemperatur von Lichtquellen für fotografische
Zwecke ist es bekannt, zwei für unterschiedliche Spektralbereiche empfindliche flächenhafte
Empfänger nebeneinander anzuordnen. In einer zweiten Ebene vor den Empfängern ist
zusätzlich auf einer Blende ein weiterer Strahlungsempfänger angebracht, mit dem
die Beleuchtungsstärke gemessen werden kann. Auch hier kommen die Strahlungsanteile,
welche die verschiedenen Empfänger treffen, nicht vom gleichen Ursprung der Strahlungsquelle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Farbpyrometer zu vermeiden. Vor allem soll ereicht werden, daß die auf beide Strahlungsempfänger
treffende Strahlung von den gleichen Flächenteilen der Strahlungsquelle ausgeht.
Hierdurch wird die Meßgenauigkeit des neuen Farbpyrometers gegenüber den bekannten
Ausführungen verbessert.
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Nach der einen Ausführungsform der Erfindung sind die strahlungsempfindlichen
Flächen der Empfänger einander zugekehrt, und der dem Objektiv am nächsten liegende
Empfänger besitzt in der Achse der einfallenden Strahlung eine Öffnung. Zwischen
den Empfängern kann senkrecht zur Achse der Strahlung ein halb durchlässiger Spiegel
aufgestellt werden, der einen Teil der Strahlung auf die dem Spiegel zugewandte
Fläche des ersten Strahlungsempfängers reflektiert und den anderen Teil der Strahlung
auf den zweiten Empfänger durchtreten läßt. Nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der dem strahlenden Objekt am nächsten liegende Empfänger derart
durchscheinend ausgebildet, daß er einen Teil der Strahlung auf den zweiten Empfänger
durchtreten läßt. Der erste Empfänger kann dabei gleichzeitig so ausgebildet sein,
daß er als Filter für die auf den zweiten Empfänger fallende Strahlung wirkt.
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Beispiele für drei Ausführungsformen der Erfindung sollen an Hand
der rein schematisch gehaltenen Figuren der Zeichnung näher erläutert werden.
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Nach Fig. 1 trifft die vom Meßobjekt einfallende Strahlung über das
Objektivl auf die Meßblende 2 und von hier auf den Empfänger 3, tritt durch diesen
hindurch und fällt schließlich auf den Strahlungsempfänger 4. Beide Strahlungsempfänger
stehen senkrecht zur Achse der einfallenden Strahlung. Als Strahlungsempfänger 3
wird beispielsweise eine dünne Scheibe aus Silizium verwendet, die als Fotoelement
wirksam ist. Die Siliziumscheibe wirkt gleichzeitig als Filterelement und läßt überwiegend
nur Strahlung durchtreten, deren Wellenlänge größer als 1,2Er. ist. Als Strahlungsempfänger
4 wird z.B eine Germaniumdiode verwendet, deren maximale Empfindlichkeit im Strahlungsbereich
um 1,5 F liegt.
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Die maximale Empfindlichkeit des Foto elementes 3 aus Silizium liegt
bei 0,9 p. Die Farbtemperatur wird aus den von den Fotoelementen3 und 4 gelieferten
Spannungen in einer an sich bekannten Quotientenmeßschaltung, gegebenenfalls unter
Verwendung von Verstärkern gebildet. Im angegebenen Beispiel, d. h. bei Verwendung
von Fotoelementen aus Germanium und Silizium, werden die Strahlungsbereiche mit
den
effektiven Wellenlängen von etwa 0,9 und 1,5 R miteinander verglichen. Die Fotoelemente
können auch aus anderen Halbleiterwerkstoffen mit anderen Empfindlichkeitsbereichen,
beispielsweise aus Mischverbindung von Elementen der III. und IV. Gruppe des periodischen
Systems der Elemente bestehen.
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An Stelle von Fotoelementen können auch Fototransistoren oder Fotowiderstände
aus Halbleiterwerkstoffen Verwendung finden.
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Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Strahlungsempfänger
3 mit einer Öffnung 5 versehen, und seine strahlungsempfindliche Fläche 6 ist der
strahlungsempfindlichen Fläche 7 des Strahlungsempfänger 4 zugekehrt. Der Empfänger
3 ist beispielsweise ein Fotoelement aus Germanium und der Empfänger 4 ein solches
aus dem Halbleiterwerkstoff Silizium. Die vom strahlenden Körper einfallende Strahlung
tritt durch die Öffnung 5 des Empfängers 3 hindurch und trifft auf den Empfänger
4. Da die Grenzwellenlänge des Siliziums bei 1,2 liegt, wird Strahlung unterhalb
von 1,2 , d. h. langwelligere Strahlung, an der Oberfläche 7 reflektiert und gelangt
zur strahlungsempfindlichen Fläche 6 des Empfängers 3. Die Öffnung 5 im Strahlungsempfänger
3 kann so ausgebildet werden, daß sie gleichzeitig als Meßblende für die einfallende
Strahlung wirkt und deren Öffnungswinkel so begrenzt, daß das Farbpyrometer in einem
bestimmten Entfernungsbereich entfernungsunabhängig ist, d. h., in diesem Entfernungsbereich
wird die Blendenöffnung 5 immer voll ausgeleuchtet, so daß die geiche Fläche der
Strahlungsempfänger 3 und 4 von der einfallenden Strahlung getroffen wird.
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Da der Strahlungsempfänger 3 die Öffnung 5 und damit eine kleinere
wirksame Fläche besitzt, ist es vorteilhaft, auf der Oberfläche7 des Empfängers4,
z. B. in der Mitte, eine strahlungsunempfindliche Fläche von der Größe der Öffnung5
anzubringen.
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Dies kann beispielsweise durch Aufkleben einer gegebenenfalls geschwärzten
Aluminiumfolie vom Durchmesser der Öffnung 5 geschehen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.
Auch hier ist der Strahlungsempfänger 3 mit einer als Blende wirkenden Öffnung 5
versehen. Die strahlungsempfindlichen Flächen 6 und 7 der Empfänger 3 und 4 sind
einander zugekehrt. Zwischen den beiden Empfängern ist in diesem Fall ein halbdurchlässiger
Spiegel 8 angebracht, der ebenfalls senkrecht zur Achse der einfallenden Strahlung
steht. Die Strahlung tritt wieder durch die Öffnung5 und trifft jetzt auf den halbdurchlässigen
Spiegel 8, der einen Teil der Strahlung auf die Fläche 6 des Empfängers 3 reflektiert
und den anderen Teil der Strahlung auf die Fläche 7 des Empfängers 4 durchtreten
läßt.
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Als Empfänger 3 und 4 werden beispielsweise Halbleiterelemente gewählt,
deren Empfindlichkeitsbereich bei verschiedenen Wellenlängengebieten liegt, so daß
die effektiven Wellenlängen der zu vergleichenden Strahlungsbereiche einen bestimmten
Abstand voneinander haben. Es können auch zusätzliche Filter z. B. zwischen dem
Spiegel 8 und der Fläche 7 eingeschaltet werden, um eine Trennung der Wellenlängenbereiche
zu erhalten.
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Zweckmäßig verwendet man zwei gleichartige Strahlungsempfänger, z.
B. Siliziumfotoelemente, und als halbdurchlässigen Spiegel 8 z. B. einen Halbleiterwerkstoff
oder ein Interferenz-Kantenfilter,
dessen Durchlässigkeitsbereich
so liegt, daß der Empfänger 4 auf das durchgelassene Licht anspricht und der Empfänger
6 die reflektierte Strahlung erhält.
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Wie bereits erwähnt, können als Empfänger sowohl Fotoelemente als
auch Fototransistoren oder Fotowiderstände benutzt werden.