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Photo elektrisch abgleichbares Teilstrahlungspyrometer Die Erfindung
betrifft ein photoelektrisch abgleichbares Teilstrahlungspyrometer für Temperaturmessung
mittels eines lichtempfindlichen Elementes, auf dem das zu messende Objekt und eine
Lichtquelle (Vergleichslichtquelle) vorbestimmbarer Helligkeit zum Vergleich ihrer
Helligkeit und damit ihrer Temperatur gleichzeitig abbildbar sind.
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Bei bekannten optischen Teilstrahlungspyrometern werden die Oberfläche
des zu messenden Objektes und der Glühfaden einer im Instrument befindlichen Fadenlampe
in einer gemeinsamen Ebene abgebildet und durch ein optisches Filter, das nur Licht
aus einem bestimmten Wellenlängenbereich durchläßt, betrachtet. Der Beobachter ändert
den Heizstrom für den Glühfaden bis die Abbildungen des Meßobjektes und des Glühfadens
gleiche Helligkeit besitzen. Aus der Lampenstromstärke wird die Temperatur des Objektes
an einer Eichkurve abgelesen. Da die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für
das Erkennen geringer Helligkeitsunterschiede nicht groß genug ist, wird die Einstellung
verhältnismäßig ungenau. Es ergeben sich z. 3. bei 10000 C Objekttemperatur Temperaturfehler
von etwa + 1,50 C.
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Es ist auch ein photoelektrisch abgleichbares Pyro meter bekannt.
Dieses besitzt einen Sekundärelektronenvervielfacher, auf dessen Kathode der schwingende
Spalt eines Stimmgabeloszillators abgebildet wird, wobei die Bilder des Glühfadens
und des in derselben Ebene abgebildeten Meßobjektes durch den Spalt abgetastet werden.
Sind Meßobjekt und Glühfaden nicht gleich hell, so werden im Sekundärelektronenvervielfacher
den Stimmgabelschwingungen entsprechende Stromschwankungen erzeugt. Der Helligkeitsabgleich
wird erreicht, indem der Fadenstrom der Pyrometerlampe verändert wird, bis mit einem
Detektor keine periodischen Stromschwankungen mehr festzustellen sind. Dieser Abgleich
führt - bezogen auf das erstgenannte Verfahren - zu einer mehr als zehnmal so großen
Meßgenauigkeit.
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Schwierigkeiten bereiten bei dieser Anordnung aber die mechanisch
bewegten Teile. Außerdem ist es nicht einfach, den Spalt so einzustellen, daß optimale
Helligkeitsschwankungen erzeugt werden, d. h., daß in der einen Endstellung des
Spaltträgers auf dem Sekundärelektronenvervielfacher weithegend Bildteile des Meßobjektes,
in der anderen weitgehend Bildteile des Glühfadens abgebildet werden, weil die Schwingungsamplitude
des Spaltträgers sehr begrenzt ist.
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Ferner ist auch ein Pyrometer ohne mechanisch bewegte Teile bekannt,
bei dem auf eine Vergleichslichtquelle vorbestimmbarer Helligkeit verzichtet wird
und die veränderliche Empfindlichkeit der Photozelle aus dem Meßergebnis durch Beaufschlagung
derselben mit dem Lichtstrom einer konstanten Wechsellichtquelle dadurch eliminiert
wird, daß der dann aus Gleich- und Wechselanteilen bestehende Photostrom wieder
in diese getrennt und mit dem Wechselanteil über einen Wechselleistungsverstärker
der Verstärkungsgrad des Gleichleistungsverstärkers verändert werden soll. Es wird
also offensichtlich der Vorteil eines Pyrometers ohne mechanisch bewegte Teile nur
dadurch erzielt, daß die mit der Einführung der Wechsellichtquelle verbundenen erheblichen
Nachteile in Kauf genommen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Teilstrahlungspyrometer zu schaffen,
das unabhängig von der Empfindlichkeit des menschlichen Auges einstellbar ist und
dabei frei ist von den bekannten Verfahren anhaftenden Mängeln. Diese Aufgabe wird
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das lichtempfindliche Element in mehrere elektrisch
getrennte Teilbereiche aufgeteilt ist und daß eine Vorrichtung für die zeitlich
aufeinanderfolgende Abtastung der den Helligkeitswerten entsprechenden elektrischen
Werte der Teilbereiche vorgesehen ist.
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In dem lichtempfindlichen Element wird die Helligkeit des Meßobjektes
und der Lichtquelle in elektrische Meßgrößen umgewandelt, die an den elektrisch
getrennten Teilbereichen direkt abgegriffen oder vorher durch Sekundärelektronenvervielfachung
verstärkt einem Detektor oder einer Briickenschaltung zugeführt werden können. Insbesondere
können die Unterschiede periodisch abgegriffen und einem phasenempfindlichen Detektor
zugeführt werden.
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Soll sich die Messung auf Licht einer bestimmten Wellenlänge beschränken,
so wird man zweckmäßig ein entsprechendes optisches Filter in den Strahlengang schalten.
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Ein Ausführungsbeispiel des Teilstrahlungspyrometers nach der Erfindung
besitzt einen Photomultiplier mit zwei getrennten Kathoden, wobei zwei Teilbilder,
nämlich die Lichtquelle mit bekannter Helligkeit auf der einen, das Meßobjekt auf
der anderen Kathode abgebildet werden. Durch eine Kompensations- oder eine Brückenschaltung
kann die Helligkeit beider Bilder abgeglichen werden. Vorzugsweise besitzt jede
Kathode des Photoelektronenvervielfachers einen eigenen Verstärker. Es können aber
auch zwei einzelne Photoelektronenvervielfacher verwendet werden. Weiterhin ist
es möglich, einen Photomultiplier mit zwei getrennten Kathoden auf ein gemeinsames
Verstärkersystem wirken zu lassen, wobei durch eine Elektronenoptik abwechselnd
die Photoelektronen der beiden Kathoden dem Verstärkersystem zugeführt werden. Zweckmäßig
ist es, die Bilder in bekannter Art und Weise durch Blenden oder ähnliche Einrichtungen
zu begrenzen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die
Oberfläche des zu messenden Objektes und der Lampenfaden über ein optisches Filter
gemeinsam auf einer zeilenförmig unterteilten lichtempfindlichen Kathode einer Vakuumröhre
abgebildet und durch einen Elektronenstrahl periodisch abgetastet (ähnlich wie bei
einer Fernsehaufnahmeröhre). Die Helligkeitsunterschiede zwischen Faden und Objektoberfläche
werden dadurch in Schwankungen elektrischer Ausgangssignale umgewandelt, die einem
phasenempfindlichen Detektor, der durch dieselbe Frequenz wie der abtastende Elektronenstrahl
gesteuert wird, zugeführt werden.
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An Hand der Zeichnung werden Einzelheiten näher erläutert: Das Bild,
das sich im Gesichtsfeld eines bekannten Teilstrahlungspyrometers zeigt (Fig. 1),
besteht aus dem Bild des Fadens der Pyrometerlampe 1 und dem Bild der Oberfläche
des zu messenden Objektes 2.
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Hiervon wird ein spaltförmiger Ausschnitt 3 auf der Aufnahmekathode
einer Fernsehaufnahmeröhre abgebildet. Die Aufnahmekathode 4 (F i g. 2) besteht
aus mehreren elektrisch getrennten Teilbereichen 5 und 6, die von einem Elektronenstrahl
abgetastet werden. Erscheinen die auf der Röhre abgebildeten Teile 5 bzw. 6 der
Objektoberfläche verschieden hell, so erhält man von den durch die Objektoberfläche
bestrahlten Kathodenteilen andere Signale als von den vom Faden bestrahlten Kathodenteilen.
Die Signale, die der abtastende Kathodenstrahl aufnimmt, werden als Spannungen auf
dem Schirm einer Oszillographenröhre wiedergegeben. Ist der Faden heller als die
Objektoberfläche, dann ergibt sich bei Längs-
abtastung des Spaltbildes z. B. ein
Bild gemäß Fig. 3.
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Ist der Faden dunkler als die Objektoberfläche, dann erhält man auf
dem Schirm der Oszillographenröhre eine Ablenkung des Strahles nach der entgegengesetzten
Seite. Der Abgleich ist dann erreicht, wenn der Strahl eine durchgehende Linie beschreibt.
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Die Abgleichsmöglichkeit ist dabei einfach und sehr genau. Es sind
praktisch keine Justierungen nötig. Die Empfindlichkeitseinstellung kann besonders
einfach durch Ändern der Verstärkung, beispielsweise am Oszillographen erfolgen.
Ein besonderer Vorteil des Teilstrahlungspyrometers nach der Erfindung besteht darin,
daß keine mechanischen Abtastvorrichtungen benötigt werden. Mit Rücksicht auf die
Anwendung des Gerätes ist es insbesondere vorteilhaft, daß man es an ein herkömmliches
Teilstrahlungspyrometer anbauen kann, ohne seine optischen Systeme ändern zu müssen.
Ferner sind Bilder von Meßobjekt und Lichtquelle beim Messen gleichzeitig sichtbar
und die Abgleicheinheit ist sehr handlich und leicht.