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Meß-Sonde zur Messung niedriger Temperaturstrahlung Die Erfindung
bezieht sich auf Meß-Sonden zur Messung und Auswertung einer Ultrarotstrahlung.
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Man hat bereits erkannt, daß die bei diesen Messungen benutzten Meßelemente,
wie z. B. Bolometer, derart empfindlich sind, daß die Messungen infolge ungewollter
Einflüsse, wie Außentemperatur oder Aufheizung der Sonde durch Anfassen oder durch
die Reibungswärme bewegter Teile, beeinträchtigt werden und daher unkontrollierbare
Fehler aufweisen. Es ist bereits bekannt, das Gehäuse der Meß-Sonde auf eine genau
konstante Temperatur einzuregeln. Auch hat man bereits versucht, die Einflüsse der
Außentemperatur dadurch zu kompensieren, daß das Meßelement mit einem Vergleichsstrahler
kombiniert wird, dessen Strahlung durch ein mit der Außenluft in wärmeleitender
Verbindung stehendes Teil beeinflußt wird.
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Schließlich ist noch eine weitere Methode zur Ausschaltung von Fremdeinflüssen
bekanntgeworden, bei der das Sondengehäuse zur Messung herangezogen wird, indem
man dieses auf die Temperatur des Objektes bzw. in einen konstanten Temperaturabstand
zum Objekt bringt und dann die Gehäusetemperatur mißt.
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Alle diese Ausführungen konnten jedoch in all den Fällen zu keinem
befriedigenden Ergebnis führen, in denen - wie es meistens der Fall ist - Objekte
gemessen werden sollen, die außerhalb der Meß-Sonde liegen. Als Beispiele seien
genannt die Messung von heißgelaufenen Achsen von Eisenbahnzügen oder die der Wärmestrahlung
lebender Organismen für biologische Zwecke an Menschen, Tieren und Pflanzen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß außer den bereits
vorher erwähnten Außeneinfliissen Fehlerquellen dadurch entstehen, daß nicht nur
das Sondengehäuse von innen und außen Fremdeinflüssen ausgesetzt ist, sondern daß
auch die strahlungsempfindliche Schicht des Messeelementes in den Zeiten, in denen
sie keine Meßobjekt sieht, irgendeiner anderen fremden Strahlung ausgesetzt ist.
Bei der Messung von Heißläufern kann das Bolometer, wenn gerade kein Zug vorbeifährt,
beispielsweise weit entfernte Gegenstände in der Natur sehen oder aber auch irgendeinen
nicht allzu entfernten Gegenstand, der seine Strahlung entsprechend der absorbierten
Wärme, z. B. aus dem Sonnenlicht, ändert. Das gleiche gilt für die genannten Sonden
für diagnostische Zwecke, die zwischen den einzelnen Messungen ebenfalls verschieden
strahlende Gegenstände sehen können. Bei den letztgenannten Meßarten ist es möglich
- unter Umständen sogar erforderlich, der Meß-Sonde in den Pausen zwischen den Messungen
einen festen Bezugspunkt zu zeigen, der jedoch in seiner Strahlung auch immer mehr
oder weniger schwanken wird.
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In Erkenntnis dieser Verhältnisse soll mit der Erfindung die Aufgabe
gelöst werden, eine fehlerfreie UR-Strahlungsmessung durchzuführen, die durch keinerlei
Einflüsse weder innerhalb der Meß-Sonde noch außerhalb der Meß-Sonde noch vor dem
Auge des Meßelementes beeinträchtigt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß bei einer bekannten
Meß-Sonde zur Messung niedriger Temperaturstrahlung, bei welcher die Temperaturmessung
durch Vergleich der Strahlung des zu messenden Objektes mit einer Vergleichsstrahlung
erfolgt und bei welcher alle für die Messung erforderlichen Teile, nämlich das Meßelement,
die Modulationseinrichtung zur Anwendung der Wechsellichtmethode und gegebenenfalls
Filter und Schaltelemente in einem gemeinsamen, aufgeheizten Gehäuse eingeschlossen
sind, erfindungsgemäß als Vergleichsstrahler das Sondengehäuse selbst und ein beliebiger,
vor der Sondenöffnung liegender Bezugsstrahler verwendet und die Gehäusebeheizung
derart geregelt wird, daß die Differenz der beiden Vergleichsstrahlungen konstant
bleibt und als Bezugswert für die Meßstrahlungsdifferenz dient. Die Gehäusetemperatur
wird bei Sicht der Sonde auf den Bezugsstrahler über einen von Hand einstellbaren
oder automatisch verstellbaren Regeltransformator so eingeregelt, daß das die Strahlung
anzeigende Meßinstrument den Bezugswert an-
zeigt, wobei der Regeltransformator
so geeicht ist, daß er bei dieser Stellung die Temperaturstrahlung des Bezugsstrahlers
z. B. in Watt/cm2 angibt. Der die Heizung regelnde Regeltransformator erhält seine
Einstellung von einem die Temperatur des Bezugsstrahlers überwachenden Befehlsgeber
auf elektrischem, mechanischem oder elektromechanischem Wege, z. B. von einem durch
Thermometer und Photozellen gesteuerten Nachlaufmotor. Zur Vermeidung jeglicher
Reibungswärme im Sondengehäuse erfolgt die Strahlenmodulation mittels eines an sich
bekannten Stimmgabelmodulators, dessen Gabel durch eine röhrengesteuerte Magnetspule
in Schwingung versetzt wird.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einigen schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Meß-Sonde, die entsprechend der Erfindung aufgeheizt
wird. Die gemessenen Werte werden lediglich zur Anzeige gebracht. Selbstverständlich
kann neben dem Anzeigeinstrument 15 oder auch an Stelle des Anzeigeinstrumentes
der Ausgangswechselstrom 18 ein Arbeitsrelais betätigen. In der schematischen Darstellung
ist lediglich das Anzeigeinstrument dargestellt, da die Nachschaltung eines Arbeitsrelais
oder auch eines Schreibers bekannt ist.
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Im einzelnen bedeutet 1 das Gehäuse der Meß-Sonde. In dieser Sonde
sind das Meßelement 11, ein Stimmgabelmodulator 10, ein Filter 12 und ein Teil der
elektrischen Leitung 13, in die eventuell noch ein Schalter eingebaut sein kann,
untergebracht. In der Gehäusewandung ist eine Heizwicklung angeordnet.
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Diese Heizung ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel unterteilt.
Der kleinere Abschnitt 2 liegt fest unmittelbar an der Stromquelle, und nur der
andere Abschnitt 3 der Heizung wird geregelt. Diese Unterteilung erfolgt, um ein
schnelleres Aufheizen der Sonde auf den Betriebszustand zu ermöglichen und um die
Zeit des Regelvorganges abzukürzen. Die Unterteilung zwischen den Abschnitten 2
und 3 der Größe nach hängt von den jeweiligen Betriebsbedingungen ab. Selbstverständlich
ist es ohne weiteres möglich, auch den gesamten Heizstrom über die Regeleinrichtung
zu führen. Mit der Meß-Sonde sollen einzelne Meßobjekte 17 bezüglich ihrer Wärmestrahlung
gemessen werden. Diese Meßobjekte 17 sieht das Meßelement 11, in diesem Fall ein
Bolometer, nur dann, wenn sie unmittelbar vor der Öffnung der Sonde liegen. In den
Zwischenpausen sieht das Bolometer 11 einen beliebigen Bezugspunkt 16, dessen Temperatur
unter unbekannten Einflüssen schwankt, so daß das Bolometer von ihm eine differierende
Strahlung empfängt. Der Heizstrom des Heizabschnittes 3 wird nun derart geregelt,
daß in die Stromzuleitung zum Heizstromkreis ein geeigneter Energieregler, in dem
gezeigten Ausführungsbeispiel ein Regeltransformator 4, eingeschaltet ist. Die andere
Stromzuleitung wird über einen Schleifkontakt 5 abgegriffen. Der Ausgangsstrom des
Bolometers wird über die Leitung 13 in an sich bekannter Weise über einen \Vechselstromverstärker
14 durch ein Instrument 15 zur Anzeige gebracht. In der einfachsten Ausführungsform
besitzt der Schleifkontakt 5 lediglich einen Einstellknopf, über den der Regeltransformator
von Hand eingestellt wird. Dies erfolgt derart, dß nach einer gewissen Anheizzeit
über den festen Heizkreis 2 die Sonde auf den Bezugspunkt 14 gerichtet wird, sodann
wird der Schleifkontakt 5 von
Hand so lange verdreht, bis das Meßinstrument 15 100
O!o anzeigt. Der Regeltransformator 4 wird einmal bei einem solchen Meßvorgang geeicht,
und zwar derart, daß die Stellung des Zeigers 5 die wahre Strahlung des Bezugspunktes
16 anzeigt, beispielsweise in Watt/cm2, gegebenenfalls auch in Temperaturgraden.
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Die Skala des Instrumentes 15 weist eine solche Teilung auf, daß ein
Ausschlag des Instrumentenzeigers nach links oder rechts eine Abweichung in O/o
von der Mittelstellung anzeigt, d. h. also beim Messen des Objektes 17 ist dessen
Strahlung in T O/o Abweichung von der Strahlung des Bezugspunktes 16 ablesbar. Da
der Regeltransformator 4 in absoluten Werten die Strahlung des Bezugspunktes 16
anzeigt, können dem Instrument 15 ebenfalls Absolutwerte entnommen werden.
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Die vorbeschriebene Messung ist dann zweckmäßig, wenn die Temperaturänderung
des Bezugspunktes 16 nur langsam und in größeren Zeitabständen vor sich geht und
während dieser Zeitabstände eine Vielzahl von Objekten 17 gemessen wird. In diesen
Fällen kann in gewissen Zeitabständen, die einem Erfahrungswert entsprechen, der
Energieregler von Hand bei Sicht der Sonde auf den Bezugspunkt 16 nachgeregelt werden.
Ist die Temperaturschwankung des Bezugspunktes 16 größer und schneller, so empfiehlt
es sich, eine automatische Nachregelung der Heizung durchzuführen. Dies kann bei
der Ausführung nach Fig. 1 dadurch erfolgen, daß auf der Achse des Zeigers 5 ein
Ritzel 6 angeordnet ist, mit welchem eine Zahnstange 7 kämmt. Die Zahnstange 7 ist
über eine schematisch angedeutete Kupplung 8 mit einem Einstellglied 9 verbunden,
welch letzteres seine Bewegung über eine später noch zu beschreibende Fernregelung
28 erhält. Die Kupplung 8 dient dabei in offener Stellung der Primäreinstellung
des Energiereglers für die bei Beginn der Messung vorhandene Strahlung des Bezugspunktes
16. Nach dieser Einstellung wird die Kupplung 8 geschlossen, und die weitere Regelung
wird sodann von der Fernregelung 28 übernommen.
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Fig. 2 zeigt schematisch eine automatische Fernregulierung des die
Heizung 3 einstellenden Energiereglers. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist als Regler für den Heizstromkreis ein Kontaktthermometer 20 dargestellt. Die
Temperatur des Bezugspunktes 16 wird ebenfalls durch ein Thermometer 24 gemessen.
Die Stellung der Thermometerflüssigkeit in diesem Thermometer wird durch zwei Photozellen
27 und 27 a überwacht, die durch eine Lichtquelle 26 jenseits der Flüssigkeitssäule
belichtet werden. Lichtquelle und Photozellen sind in einem Gleitschuh 25 angeordnet,
der nach oben oder unten wandern kann.
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Eine solche Einrichtung ist an sich bekannt und arbeitet derart, daß
der Gleitschuh 25 durch eine Spindel 28 so gehoben bzw. gesenkt wird, daß das Ende
der Thermosäule stets zwischen den beiden Photozellen steht. Zu diesem Zwecke wird
der Photostrom über einen Schalter und Polwandler 29, der gegebenenfalls mit einem
Verstärker kombiniert ist auf einen Motor 30 gegeben, der je nach dem Abfall der
Photozellen rechts herum oder links herum läuft oder stehenbleibt, und zwar so lange,
bis die Photozellen 27, 27 a wieder in der Nullage zur Flüssigkeitssäule des Thermometers
24 stehen. Die Bewegung die hierbei die Spindel 28 ausführt, wird auf einen Drehfeldgeber
23, in welchem ein Drehstrom mit 500 Hz eingeht, gegeben. Dieser Drehfeldgeber 23
gibt seine Impulse über beliebige Entfernungen auf
den Drehfeldempfänger
23 a, der genau dieselbe Bewegung wie der Drehfeldgeber 23 ausführt. Mit der Welle
des Drehfeldempfängers ist unmittelbar ein Hufeisenmagnet 22 verbunden. In an sich
bekannter Weise wird durch diesen ein im Inneren des Thermometers angeordneter Folgemagnet
mitgenommen, der eine in der Rüssigkeitskapillare liegende Spindel verstellt, über
die der Kontakt mit der Flüssigkeitssäule hergestellt wird. Während das Kontaktthermometer
20 die Heizung unter Berücksichtigung der Wärmerer hältnisse an der Sonde regelt,
gibt die Temperatur des Bezugspunktes 16 über das Thermometer 24 einen zusätzlichen
Fernbefehl an das Thermometer 20, indem es dessen Regelbereich verstellt. Das Kontaktthermomelder
20 wird dadurch gezwungen, zusätzlich von dem selbst ermittelten Wärmezustand den
Zustand des Bezugspunktes 16 zu berücksichtigen.
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Die in dieser Figur dargestellte Fernsteuerung läßt sich nun ohne
weiteres auch auf die Ausführung nach Fig. 1 anwenden, indem auf der Spindel 28
an Stelle des Drehfeldgebers 23 der Antriebsteil 9 angeordnet ist. Der Befehl des
Thermometers 24, welches die Temperatur des Bezugspunktes 16 mißt, wird dann über
die Zahnstange t7 und das Ritzel 6 auf den Regeltransformator 4 der Heizung 3 gegeben.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Verwendung eines Stimmgabelmodulators
für den Gegenstand der Erfindung von besonderem Vorteil.
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Wie in Fig. 3 schematisch gezeigt, liegt das Meßelement 11 am vorderen
Ende zwischen den beiden Armen der Stimmgabel 10. Die Enden dieser Arme tragen kammartige
Scheiben 31 und 31 a, deren Durchgangsöffnungen sich bei der Bewegung der Stimmgabelarme
abwechselnd überdecken oder den Durchgang für die Strahlen freigeben. Auf einem
der Arme ist eine Treiberspule 32 angeordnet, die in an sich bekannter Weise über
ein Rohr 33 und Verstärker 34 gesteuert wird. Wie bereits eingangs erwähnt, wird
der 500/obige Reflexionsverlust durch die gegebenen Vorteile bei weitem überwogen.
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Durch die Erfindung ist die Möglichkeit geschaffen, bei der Messung
niedriger Temperaturstrahlung sämtliche Fremdeinflüsse weitestgehend auszuschalten
und trotz der Relativität zwischen Meßobjekt und Bezugspunkt Absolutwerte zur Anzeige
zu bringen oder Arbeitsrelais bei ganz bestimmten Werten ansprechen zu lassen.