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Verfahren zur Meßwertkontrolle bei einem Zweifarbenpyrometer und Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Meßwertkontrolle, insbesondere zur Elimination von auf der Alterung von Strahlungsempfängern
beruhenden Meßfehlern, bei einem Zweifarbenpyrometer, mit dem die Farbtemperatur
einer Strahlungsquelle durch Messung der von dieser in zwei engen Wellenlängenbereichen
emittierten Strahlung mit nur einem Strahlungsempfänger bestimmt wird, auf welchen
die von der Strahlungsquelle emittierte und durch abwechselnd in den Strahlengang
gebrachte, den gewählten Wellenlängenbereichen zugeordnete Filter gefilterte Strahlung
auftrifft.
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Bekannte Zweifarbenpyrometer weisen den Nachteil auf, daß sie keine
kontinuierliche Messung oder entsprechend keine kontinuierliche Registrierung der
Meßwerte ermöglichen. Zur Prüfung und zur etwaigen Korrektur der Geräteeichung ist
vielmehr bei diesen Vorrichtungen stets eine Unterbrechung des Meßvorgangs erforderlich.
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Den gleichen Nachteil weisen bekannte Helligkeitspyrometer auf, bei
denen die Messung der Farbtemperatur unter Verwendung von Lichtschwächungsmitteln
durch Abgleich des zu messenden Lichtes mit einem Vergleichslicht in zwei verschiedenen
Spektralgebieten durchgeführt wird, wobei in dem einen Spektralgebiet die Abgleichung
mittels des einen auf beide Gebiete wirkenden Lichtschwächungsmittels und die Abgleichung
in dem anderen Spektralgebiet unter Verwendung eines zusätzlichen zweiten Lichtschwächungsmittels
erfolgt. Bei diesem Pyrometer wird das Vergleichslicht unter Zuhilfenahme einer
Hilfslichtlampe auf einen Sollwert eingestellt. Da der Vergleich beider Lampen bei
weißem Licht vorgenommen wird und jede Glühlampe einem die spektralen Intensitäten
des imitierten Spektrums verändernden Alterungsprozeß unterliegt, kann es auch hier
zu Meßfehlern kommen, die die Durchführung einer kontinuierlichen Messung unmöglich
machen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
mittels eines Meßverfahrens und einer Meßvorrichtung zu beseitigen, das bzw. die
es ermöglicht, im laufenden Betrieb, sei es kontinuierlich oder in kurzen oder längeren
zeitlichen Abständen, die Geräteeichung mittels einer schnell und einfach durchzuführenden
Kontrollmessung zu überprüfen, ohne daß die Hauptmessung unterbrochen werden muß,
und mit dem bzw. der für den Fall, daß die Kontrollmessung zu einer Fehleranzeige
führt, gegebenenfalls eine Korrektur der Geräteeichung bzw. eine Berichtigung der
bei der Hauptmessung erzielten Meßergebnisse vorgenommen werden kann.
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Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst,
daß neben der Hauptmessung eine oder mehrere Farbtemperaturmessungen (Kontrollmessungen)
mittels zusätzlicher, aus der Meßstrahlung ausgefilterter Wellenlängenpaare in kurzen
zeitlichen Abständen zur Hauptmessung in kontinuierlicher Folge oder bei Bedarf
durchgeführt und daß an Hand von der Hauptmessung bzw. Kontrollmessung zugeordneten
Eichkurven die jeweils der gleichen Temperatur entsprechenden Meßwerte miteinander
verglichen werden. Dabei wird zweckmäßigerweise so vorgegangen, daß die durch die
Wellenlängenpaare der Haupt- und Kontrollmessungen begrenzten Wellenlängenbereiche
einander teilweise überdecken.
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Grundlage für die Prüfung der Geräteeichung bei einem Zweifarbenpyrometer
sind demgemäß innerhalb der laufenden Messung beliebig gelegene, jedoch zeitlich
unmittelbar aufeinanderfolgende Meßwerte der Haupt- und Kontrollmessung, die an
Hand der der Haupt- und Kontrollmessungen jeweils zugeordneten, den verschiedenen
Meßbereichen des Pyrometers entsprechenden Eichkurven unmittelbar miteinander verglichen
werden können. Im allgemeinen genügt es, wenn während der laufenden Messung lediglich
von Zeit zu Zeit von dem der einen Eichkurve zugeordneten Meßbereich in den Meßbereich
der anderen Eichkurve umgeschaltet wird.
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Da die Farbtemperatur der zu messenden Strahlungsquelle aus jeder
der beiden Eichkurven mit derselben Genauigkeit entnommen werden kann, braucht bei
der
Durchführung der Kontrollmessung die Hauptmessung nicht unterbrochen zu werden.
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Werden bei der Meßwertkontrolle Abweichungen der in den verschiedenen
Meßbereichen ermittelten Werte der Farbtemperatur festgestellt, so kann eine Korrektur
der Eichkurve des Meßgerätes an. Hand von Beziehungen, z. B. Berichtigungskurven,
vorgenommen werden, die zuvor durch Versuche ermittelt wurden. Da bei einem Zweifarbenpyrometer
mit einer als Strahlungsempfänger dienenden Photozelle Meßfehler in der Regel lediglich
auf eine durch die Alterung der Photozelle bedingte Änderung der spektralen Empfindlichkeit
zurückzuführen sind, kann eine solche der Berichtigung der Meßwerte dienende Beziehung
dadurch erhalten werden, daß nach der Eichung des Pyrometers eine künstliche Alterung
des Strahlungsempfängers bzw. der Photozelle durch eine Reihe von aufeinanderfolgenden
Erwärmungen derselben herbeigeführt wird, wobei sich die Beziehung aus den hierbei
aus den einzelnen Meßwerten ermittelten Farbtemperaturen und den Differenzen der
sich in den verschiedenen Meßbereichen ergebenden Meßwerte herleiten läßt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise
ein Zweifarbenpyrometer verwendet, welches einen Strahlungsempfänger, eine diesem
zugeordnete, im Strahlengang liegende Filtervorrichtung mit mehreren Filtern für
die verschiedenen Wellenlängenbereiche sowie eine mit der Filtervorrichtung gekoppelte
Steuervorrichtung aufweist, welche die vom Strahlungsempfänger in einem Meßbereich
abgegebenen Signale einer Meßvorrichtung zuführt. Die Filtervorrichtung weist dabei
erfindungsgemäß mindestens zwei Filtersätze auf, von denen jeder aus der Meßstrahlung
ein Wellenlängenpaar ausfiltert und deren Filter mittels einer mechanischen Vorrichtung,
vorzugsweise mittels eines rotierenden Filterträgers, nacheinander in den Strahlengang
vor einer als Strahlungsempfänger dienenden Photozelle in Bewegung gehalten sind,
und daß ferner zwischen der Steuervorrichtung und der Meßvorrichtung eine Umschaltvorrichtung
vorgesehen ist, durch welche aus den von der Photozelle erzeugten Signalen wahlweise
diejenigen des einen oder anderen Wellenlängenpaares an die Meßvorrichtung anschließbar
sind.
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Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit
dem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel eines Pyrometers
gemäß der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 ein Zweifarbenpyrometer
gemäß der Erfindung mit Selbstkontrolle und zwei Eichkurven, Fig.2 die Eichkurven
des erfindungsgemäßen Pyrometers in graphischer Darstellung, Fig. 3 in graphischer
Darstellung die funktionelle Abhängigkeit der in den beiden Spektralbereichen ermittelten
Werte E1 und E2, F i g. 4 ebenfalls in graphischer Darstellung eine durch Versuche
ermittelte Berichtigungskurve, welche die an einer Eichkurve vorzunehmende Berichtigung
in Abhängigkeit von der an der anderen Eichkurve festgestellten Abweichung angibt.
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Die Arbeitsweise des optischen Pyrometers sei zunächst unter Bezugnahme
auf Fig. 1 erläutert.
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Man sieht bei 1 den Lichtfluß, welcher von der Lichtquelle kommt,
deren Temperatur bestimmt werden soll. Dieser Fluß fällt auf eine Photozelle mit
Elektro-
nenvervielfacher 2 nach seinem Durchgang durch Filter, welche von einer
durch einen kleinen Elektromotor 4 angetriebenen drehbaren Scheibe 3 getragen werden.
Die Scheibe 3 trägt in gleichmäßigen Abständen acht Filter, welche vier mit A1,
22, 23, A4 bezeichnete Wellenlängenbereiche definieren, wobei diametral auf der
Scheibe einander gegenüberliegende Filter identisch sind. Während einer vollständigen
Umdrehung der Scheibe laufen somit die acht Filter nacheinander vor der Zelle 2
vorbei, welche eine Reihe von Signalen e1, e2, e3, e4 liefert, welche die Energien
darstellen, welche sie in den Wellenlängenbereichen A,, 22, 23, 24 empfängt. Bei
5 sind die einer vollständigen Umdrehung der Scheibe 3 entsprechenden acht Signale
dargestellt. Diese Signale werden nacheinander an einen elektronischen Verstärker
6 und hierauf an eine Stufe 7 zur logarithmischen Umformung und schließlich an einen
neuen Verstärker 8, welcher die durch die logarithmische Stufe 7 bewirkte Schwächung
ausgleicht, angelegt. Man erhält somit am Ausgang des Verstärkers 8 Signale e,',
e2,, e3,, e4,, deren Amplitude zu dem Logarithmus der Amplitude der Signale e1,
e2, e3, e4 proportional ist. Die Signale e,' und e3, entsprechen einer Definition
der Farbtemperatur, während die Signale e2, und e4, der anderen Definition entsprechen.
Es handelt sich nun darum, diese zu trennen. Hierfür werden sie gleichzeitig an
zwei elektronische Umschalter 9 a, 9b angelegt, welche normalerweise gesperrt sind
und durch entsprechende Entsperrungsimpulse entsperrt werden können.
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Auf der gleichen Achse wie die Scheibe 3 sitzen zwei je einer Definition
der Farbtemperatur entsprechende Entsperrungsvorrichtungen lOa, lOb. Eine durch
einen Umschalter 11 gewählte Entsperrungsvorrichtung betätigt einen Generator 12
für die Entsperrungsimpulse. Bei einer Betätigung durch die Entsperrungsvorrichtung
10a liefert der Generator 12 die Impulse d1, welche auf die Signale e, zentriert
sind und den Umschalter 9 a so steuern, daß er die Signale e1 durchläßt, während
die auf die Signale es zentrierten ImpuIse d3 den Umschalter 9b so steuern, daß
er die Signale e3' durchläßt. Die so voneinander getrennten Signale e1, und e3,
werden durch Kondensatoren 13a bzw. 13b gespeichert, welche sie in Gleichspannungssignale
umformen, deren Wert gleich ihrem Scheitelwert ist. Diese Gleichspannungswerte werden
über Stufen 14 a, 14 b zur Anpassung der Impedanz an ein Registriergerät 15 angelegt,
welches ihre Differenz bildet. Widerstände 16, 17, 18, 19 gestatten die Einstellung
des Meßbereichs des Geräts.
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Wenn der Impulsgenerator 12 durch die Entsperrungsvorrichtung lOb
gesteuert wird, erzeugt er die Impulse d2 und d4, so daß die Signale e2' und e4,
integriert werden. Die einfache Betätigung des Umschalters 11 ermöglicht somit den
Übergang von einer Definition der Farbtemperatur zu der anderen, d. h. von einer
Eichkurve zur anderen.
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Auf der Achse der Scheibe 3 könnte auch eine einzige Entsperrungsvorrichtung
angebracht werden, welche Signale zur Betätigung des Generators 12 der Entsperrungsimpulse
liefert, welche zeitlich so gegeneinander verschoben sind, daß sie entweder die
Signale e,' und e3' oder die Signale e2, und e4, durchlassen. Der Umschalter 11
gestattet dann, zwischen zwei bestimmten Verschiebungen zu wählen, deren jede einer
Defination der Farbtemperatur entspricht.
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Es ist zu bemerken, daß es in der optischen Zweifarbenpyrometrie
bereits bekannt ist, daß die Farbtemperatur
einer Lichtquelle mit
der absoluten Temperatur T bis auf eine Konstante durch den Kehrwert des Logarithmus
des Verhältnisses e#1 e#3 gemessen wird, worin e ein, und e ein, die Energien sind,
welche von der Photozelle in den die Farbtemperatur definierenden Wellenlängenbereichen
A, und 23 aufgefangen werden. Dieses Verhältnis ist eine ungleichseitige hyperbolische
Funktion der absoluten Temperatur T von der Form B worin A und B durch das Wiensche
Gesetz bestimmte Konstante sind.
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Das Ausgangsregistriergerät 15 ergibt somit je nach der Stellung
des Umschalters 11 entweder einen Ausschlag E,: Klog 1 = A B eR3 T oder einen Ausschlag
E2: Ea = K'log 2 = A' t T worin A' und B' durch das Wiensche Gesetz bestimmte Konstante
sind.
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Nach der Eichung des Pyrometers z. B. durch Anvisieren eines schwarzen
Körpers mit bekannter Temperatur entsprechen jeder Temperatur TO der Lichtquelle
zwei genau bestimmte Ausschläge E und E2. Man kann daher aus einem dieser Ausschläge,
z. B. E1, den anderen Ausschlag £2 ohne Kenntnis der Temperatur der Lichtquelle
ableiten.
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F i g. 2 zeigt die beiden ursprünglichen Eichkurven E1 = F (T) und
E2 = g (T) des Geräts. Wie man sieht, entspricht jeder Temperatur der Lichtquelle
ein Wert von E1 und ein Wert von E,. In F i g. 3 ist die Kurve E1 = h (E2) dargestellt,
welche gestattet, E1 und E2 auseinander abzuleiten, ohne die Temperatur zu Hilfe
zu nehmen. Die Ableitung dieser Kurve erfolgte aus den beiden Kurven der F i g.
2.
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Aus F i g. 2 ergibt sich somit, daß die Konstanz des Unterschieds
zwischen E1 und E2 für jede Temperatur ein Kriterium für das richtige Arbeiten ist.
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Wenn man für einen gewissen, während des Arbeitens des Geräts abgelesenen
Wert von E, nach Betätigung des Umschalters 11 nicht den entsprechenden aus der
Kurve der F i g. 3 abgeleiteten Wert von E2 findet, oder umgekehrt, kann man daraus
schließen, daß sich die Eichung geändert hat und daß das Gerät falsch anzeigt.
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Es soll jetzt untersucht werden, unter welchen Bedingungen es in
gewissen Fällen möglich ist, die an den Angaben des Geräts vorzunehmende Berichtigung
zu bestimmen, wenn man durch Anwendung des obigen Verfahrens eine Änderung der Eichung
festgestellt hat.
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Durch aufeinanderfolgende Erwärmungen hat man eine Alterung der Photozelle
mit Elektronenvervielfacher hergestellt. Nach jeder Erwärmung wurden neue Werte
von E, und E2 für jede Temperatur gefunden. Unter Benutzung der Kurve der F i g.
3 hat man festgestellt, daß man nach jeder Alterung für
einen bestimmten Wert von
E2 und E1 verschiedene Werte E,', E," usw. findet.
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Der Unterschied zwischen einem dieser neuen Werte und E, sei d genannt.
Durch eine statistische Auswertung der verschiedenen erhaltenen Ergebnisse wurde
die Kurve der Fig.4 erhalten, welche die an E2 vorzunehmende Berichtigung in Temperaturgraden
je Unterschiedseinheit d in Abhängigkeit von dem Ausgangsausschlag E2 angibt.
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Praktisch erfolgte die Berichtigung folgendermaßen: Einem gewissen
von dem Gerät angegebenen Wert von E2 müßte ein genau definierter durch die Kurve
der F i g. 3 angegebener Wert von E1 entsprechen.
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Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, zeigt das Gerät falsch an,
die Kurve der F i g. 4 gibt die an E2 vorzunehmende Berichtigung nach Graden je
Unterschiedseinheit d an. Durch Multiplikation dieser Berichtigung mit dem an E,
festgestellten Unterschied d erhält man die Grade, welche algebraisch zu der in
F i g. 2 für die Ausgangsgröße E2 abgelesenen Temperatur hinzuzuzählen sind.