DE1473259C - Method and device for measuring electromagnetic radiation, in particular thermal radiation - Google Patents
Method and device for measuring electromagnetic radiation, in particular thermal radiationInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen signal läßt sich mit Hilfe eines elektrischen Referenzelektromagnetischer Strahlung, insbesondere Tempe- signals erzielen, das vom elektromechanischen Moduraturstrahlung, bei dem ein Wandlerelement über lator erzeugt wird und damit Frequenz und Phase des einen elektromechanischen Modulator abwechselnd durch diesen hervorgerufenen Differenzsignals wiedermit der zu messenden Strahlung und der Strahlung 5 spiegelt.The invention relates to a method for measuring signal can be achieved with the help of an electrical reference electromagnetic radiation, in particular temperature signal, which is generated by the electromechanical moduratur radiation, in which a transducer element is generated via lator and thus the frequency and phase of the an electromechanical modulator alternately with this caused difference signal again the radiation to be measured and the radiation 5 reflects.
einer Vergleichsquelle beaufschlagt und aus beiden die Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs-applied to a comparison source and from both the one device for carrying out the invention
Differenz gebildet wird. gemäßen Verfahrens ist in den Ansprüchen 4 bis 6 ge-Difference is formed. according to the method is in claims 4 to 6 ge
Derartige Anordnungen sind bereits bekannt (man kennzeichnet.Such arrangements are already known (one marked.
vergleiche hierzu beispielsweise Euler — Ludwig In der Zeichnung ist ein Blockschaltbild eines Aus-compare for example Euler - Ludwig The drawing shows a block diagram of an output
»Arbeitsmethoden der optischen Pyrometrie«, 1960, ίο führungsbeispiels einer Anordnung zur Durchführung»Working methods of optical pyrometry«, 1960, ίο example of an arrangement for implementation
S. 102 und 103). Bei derartigen Wechsellichtmeßanord- des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. DiesesPp. 102 and 103). The method according to the invention is shown in the case of such alternating light measuring arrangements. This
nungen hängt ersichtlicherweise die erzielbare Meß- Ausführungsbeispiel gestattet zusätzlich zum erfin-The achievable measurement embodiment allows in addition to the inven-
genauigkeit von der Konstanz der Strahlung der Ver- dungsgemäßen Verfahren auch die DurchführungAccuracy of the constancy of the radiation of the method according to the invention also the implementation
gleichsquelle ab. Sollen nun — wie es beispielsweise weiterer vereinfachter Strahlungsmeßverfahren,source from. Should now - as is the case, for example, with further simplified radiation measurement methods,
bei der Abkühlung einer Glasschmelze für optische 15 Ein wichtiger Teil der Anordnung ist ein selbst-when cooling a molten glass for optical 15 An important part of the arrangement is a self-
Gläser nach einem genau einzuhaltenden vorgegebenen erregtes, lageunabhängiges Drehpendel D, welchesGlasses according to a specified excited, position-independent rotary pendulum D, which must be precisely observed
Temperatur-Zeit-Schema häufig erforderlich ist — bei einerends als Modulator herkömmlicher Bauart ausge-Temperature-time scheme is often required - at one end it is designed as a modulator of conventional design.
Temperaturen von etwa 10000C noch Temperatur- bildet ist; d. h. mit einer Lochblende B zum ZerhackenTemperatures of about 1000 0 C still forms temperature; ie with a pinhole B for chopping
differenzen von ungefähr 0,1 ° C gemessen werden der auf einen lichtelektrischen Wandler direkt auf-differences of about 0.1 ° C are measured directly on a photoelectric converter.
. können, so stellt die entsprechende Konstanthaltung 20 treffenden Strahlung, oder auch mit einem metallischen eines Strahlers von 1000 0C auf weniger als 0,10C ein Spiegel, über welchen die zu messende Strahlung auf außerordentlich schwieriges Problem dar, welches mit den Wandler gelenkt und dabei zerhackt wird. Dem Hilfe von Thermostaten nur mit erheblichem Aufwand Drehpendel D ist ein Impulsgenerator V zugeordnet, gelöst werden kann. Ferner weist das Drehpendel D ein geeignetes Organ Strahlungsmeßanordnungen der vorstehend genann- 25 auf, mit welchem es möglich ist, den Impulsgenerator ten Art sollen bevorzugt an verschiedenen Einsatz- entsprechend den Schwingungen des Drehpendels ausorten verwendbar sein und dürfen zu diesem Zweck zusteuern, so daß dieser ein konstantes, zum Strahnicht zu groß und sperrig sein und darüber hinaus lungssignal kohärentes elektrisches Referenzsignal S4 keine zu große elektrische Leistungsaufnahme auf- abgibt. Die Herstellung eines solchen Drehpendels weisen, so daß sie unabhängig von einer Energiever- 30 bietet keinerlei Schwierigkeiten, und ebenso sind gesorgung durch das Stromnetz mit einer Batterie be- nügend Schaltungen für spannungserzeugende bzw. trieben, werden können.. Diese Forderungen lassen sich spannungsmodulierende selbsterregte Systeme bejedoch mit extrem kons.tanttherniostatisierten Ver- kannt, so daß" sich ein ausführliches Eingehen auf gleichsquellen bei Wechsellicht-Strahlungsmeß'einrich- diese Teile erübrigt. ". can, the corresponding constant maintenance 20 represents radiation, or with a metallic radiator from 1000 ° C. to less than 0.1 ° C., a mirror through which the radiation to be measured represents an extremely difficult problem, which is directed with the transducer and is chopped up in the process. The help of the thermostat only with considerable effort rotary pendulum D is associated with a pulse generator V, can be solved. Furthermore, the rotary pendulum D has a suitable organ radiation measuring arrangements of the above-mentioned 25, with which it is possible to use the pulse generator th type should preferably be used in different applications according to the oscillations of the rotary pendulum and for this purpose may control so that this a constant electrical reference signal S 4 that is not too large and bulky for the jet and, moreover, does not consume too much electrical power. The manufacture of such a rotary pendulum shows that it is independent of a power supply without any difficulties, and there are also sufficient circuits for voltage-generating or driving circuits for voltage-generating or driving. These requirements can be voltage-modulating self-excited Systems, however, with extremely constant herniostatization, so that "a detailed discussion of the same sources in the case of alternating light radiation measuring devices - these parts is superfluous."
tungen praktisch nicht erfüllen. 35 Das Drehpendel D weist als mechanischer Oszillatorpractically not meet these requirements. 35 The rotary pendulum D acts as a mechanical oscillator
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe ge- bekanntlich eine hohe Kreisgüte auf, so daß durchThe object of the present invention is known to have a high circular quality, so that by
stellt, das bekannte Wechsellicht-Strahlungsmeßver- dieses mit einfachen Mitteln eine sehr gute Konstanzrepresents, the well-known alternating light radiation measuring this with simple means a very good constancy
fahren so auszugestalten, daß auf die genaue Kon- der Frequenz sowohl der modulierten Strahlung alsdrive in such a way that the exact frequency of both the modulated radiation and the
stanthaltung der Vergleichsquelle verzichtet werden auch des erzeugten Referenzsignals erreichbar ist. AufThe reference signal generated can also be achieved without maintaining the comparison source. on
kann und demnach nach diesem Verfahren arbeitende 40 Grund dieser Frequenzkonstanz ist es möglich, sehrcan and therefore working according to this method 40 because of this frequency constancy it is possible, very
Anlagen wesentlich kleiner und einfacher aufzubauen schmalbandige Verstärker zu verwenden, durch welcheSystems much smaller and easier to build to use narrowband amplifiers, through which
sind. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der, vor-; : wiederum eine ausgezeichnete Störbegrenzung erzielbarare. To solve this problem is according to the, before; : again an excellent noise reduction achievable
liegenden Erfindung bei einem Verfahren der eingangs ,· ist. Die Verwendung dieses Drehpendels als Modulatorlying invention in a method of the opening, · is. The use of this rotary pendulum as a modulator
genannten Art vorgesehen, daß zur Kompensation der hat darüber hinaus noch den Vorteil, daß es in seinenmentioned type provided that to compensate the has the additional advantage that it is in his
Schwankungen der Vergleichsstrahlung die Abwei- 45 Abmessungen kleiner gehalten werden kann als dieFluctuations in the comparison radiation, the deviations can be kept smaller than the 45 dimensions
chung der Vergleichsstrahlung von einem gewünschten bisher üblichen rotierenden Blenden. Außerdem istdetermination of the comparison radiation from a desired rotating diaphragm that has been customary up to now. Also is
Pegel bestimmt und daß die Abweichung und das seine Leistungsaufnahme gering, so daß dieser Oszil-Level and that the deviation and its power consumption are small, so that this oscilloscope
Differenzsignal in gleichem Maße verstärkt und in lator leicht aus einer Batterie gespeist werden kann,The difference signal can be amplified to the same extent and easily fed from a battery in the lator,
übereinstimmender Phasenlage zu einem resultierenden rr was in vielen Fällen einen nicht unwesentlichen Vorteifmatching phase position to a resulting rr which in many cases is a not insignificant advantage
Differenzsigriai addiert1 rwerden,: welches nach aus-'50darstellt. -'^'^;;:-K-'y>-->\>■■-'■■■:-■- ■■■■■■■■ ■-■.;.■ Differenzsigriai adds 1 to r,: which '50darstellt off after. - '^' ^ ;;: - K - 'y>->\> ■■ -' ■■■: - ■ - ■■■■■■■■ ■ - ■.;. ■
reichender Verstärkung zur Anzeige gebracht wird.;!-^v-- '■ Die zu messende von der Strahlungsquelle O abge-sufficient amplification is displayed.;! - ^ v-- '■ The amount to be measured from the radiation source O
Die bisher durch das Konstanthalten der Vergleichs- gebene und durch das Drehpendel D zerhackte Strah-The previously chopped up by keeping the comparison given constant and by the rotary pendulum D
._ quelle, erzielteKonstanz der .Vergleichsstrahlung wirdl: .llung S0. fällt. au£ einen. WandlerJv in. welchem sie in also in diesem Fall auf elektrischem Wege dadurch ein ihrer Energie proportionales elektrisches Signal'S2 erreicht, daß man; dem Differenzsignal aus-der zu 55 umgewandelt wird! An den Wandler E ist ein schmalmessenden Strahlung , und der relativ 1 konstanten bandiger Selektivverstärker V1 angeschlossen, in wel-Strahlung der Vergleichsquelle hinter dem Wandler- chem das Signal S2 verstärkt wird und als Signal S3 element ein entsprechend verstärktes, die Schwahkun- einer Mischstufe M1 zugeführt wird. An die Mischgen der Vergleichsquelle repräsentierendes' elektrisches stufe M1 ist ein weiterer schmalbandiger Selektivver-Signal phasenrichtig überlagert. Damit erreicht man 60 stärker F2 angeschlossen, dessen Ausgang zu einer ersichtlich den gleichen Effekt wie mit einer genau zweiten Mischstufe Af2 führt. Die Mischstufe Af2 ist konstanten Vergleichsquelle, jedoch ist der Aufwand über einen phasenempfindlichen Gleichrichter LJ mit zum Messen der Schwankungen der Vergleichsquelle einem geeigneten Anzeigeorgan Z herkömmlicher und deren phasenrichtige Zuführung zum Wechsel- Bauart elektrisch verbunden.._ source, achieved constancy of .comparison radiation becomesl: .llung S 0 . falls. au £ one. ConverterJv in which in this case it thus electrically achieves an electrical signal S 2 proportional to its energy by; the difference signal from-which is converted to 55! A narrow-measuring radiation is connected to the transducer E , and the relatively constant band selective amplifier V 1 , in which radiation from the reference source downstream of the transducer chem, the signal S 2 is amplified and, as the signal S 3 element, a correspondingly amplified, the Schwahkun- a mixer M 1 is fed. A further narrow-band Selektivver signal is superimposed in the correct phase on the 'electrical stage M 1 ' representing the mixes of the reference source. This leads to 60 more strongly connected F 2 , the output of which clearly leads to the same effect as with a precisely second mixer stage Af 2 . The mixing stage Af 2 is a constant reference source, but the effort is electrically connected to a phase-sensitive rectifier LJ with a suitable display element Z for measuring the fluctuations of the reference source and its in-phase supply to the alternating design.
licht-Differenzsignal wesentlich kleiner als die genaue 65 Mit dieser Anordnung sind eine Reihe Meßver-light difference signal much smaller than the exact 65 With this arrangement, a number of measuring
Thermostatisierung der Vergleichsquelle. Die phasen- fahren durchführbar, welche nachfolgend eingehenderThermostatic control of the reference source. The phases can be carried out, which are described in more detail below
richtige Zuführung der Abweichung der Vergleichs- beschrieben werden. Im einfachsten Falle wird dascorrect feeding of the deviation of the comparative to be described. In the simplest case this will be
Strahlung von einem gewünschten Pegel zum Differenz- vom Signalgenerator V erzeugte Referenzsignal S4 derRadiation from a desired level to the differential reference signal S 4 generated by the signal generator V of the
Mischstufe Af2 zugeführt. Dabei ist es zweckmäßig, das Referenzsignal S4 vor dem Einspeisen in die Mischstufe Af2 einem Verstärker A zuzuführen, in welchem seine Amplitude auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Das in seiner Amplitude eingestellte Referenzsignal S8 wird in der Mischstufe Af2 mit dem im Wandler E erzeugten und über dem Verstärker F1, der Mischstufe M1 und dem Verstärker V2 der Mischstufe Af2 elektrischen Signal S7 der zu messenden Strahlung in der richtigen Phasenlage so gemischt, daß aus beiden ein Differenzsignal S9 entsteht, so daß also S9 = S7 = S8 ist.Mixing stage Af 2 supplied. In this case, it is expedient to feed the reference signal S 4 to an amplifier A before it is fed into the mixer stage Af 2 , in which its amplitude can be set to a desired value. The reference signal S 8 adjusted in its amplitude is in the mixer Af 2 with the generated in the converter E and via the amplifier F 1 , the mixer M 1 and the amplifier V 2 of the mixer Af 2 electrical signal S 7 of the radiation to be measured in the The correct phase position is mixed so that a difference signal S 9 arises from the two, so that S 9 = S 7 = S 8 .
Da die Amplitude des Referenzsignals S8 einstellbar und bekannt ist, kann mit diesem jeder Eingangspegel kompensiert werden, ohne daß dabei die Meßgenauigkeit verringert wird. Jede Signaländerung kann damit unabhängig von der Höhe des jeweils gegebenen Grundsignalpegels mit maximaler Empfindlichkeit gemessen werden, oder, auf das eingangs dargelegte Anwendungsbeispiel übertragen, es können kleinste Temperaturunterschiede unabhängig von der Höhe der Temperatur bestimmt werden.Since the amplitude of the reference signal S 8 is adjustable and known, it can be used to compensate for any input level without reducing the measurement accuracy. Each signal change can thus be measured independently of the level of the given basic signal level with maximum sensitivity, or, transferred to the application example presented at the beginning, the smallest temperature differences can be determined independently of the level of the temperature.
Zwischen der Mischstufe M2 und dem Anzeigeorgan ist — wie bereits ausgeführt worden ist — ein phasenempfindlicher Gleichrichter geschaltet. ■.■". As has already been stated, a phase-sensitive rectifier is connected between the mixer stage M 2 and the display element. ■. ■ ".
In einem zweiten Meßverfahren wird nun das Referenzsignal S4 zur Aussteuerung dieses phasenempfindlichen Gleichrichters LJ verwendet. :■■■ Damit wird eine vorzeichenrichtige und rauschgünstige Anzeige am Anzeigeorgan Z erhalten, was für viele Meßprobleme äußerst wichtig ist.In a second measuring method, the reference signal S 4 is now used to control this phase-sensitive rectifier LJ . : ■■■ In this way, a correct sign and low-noise display is obtained on the display element Z, which is extremely important for many measurement problems.
Soll zur Messung der Strahlung eine Kompensationsanordnung verwendet werden, so muß dem Wandler abwechselnd die zu messende Strahlung S0 und die aus einer Referenzquelle R kommende Strahlung S1 — A S zugeführt werden. Die abwechselnde Zuführung erfolgt beispielsweise mittels eines am Drehpendel D angebrachten Spiegels. Wie bereits ausgeführt worden ist, erfordert die Konstanthaltung der Referenzstrahlenquelle R im allgemeinen einen hohen Leistungsaufwand aller zugehörigen Einrichtungen, der nur ungünstig aus Batterien zu decken ist. Durch das Referenzsignal S4 kanmiun die Erzeugung eines konstanten Referenzstrahlenpegels durch elektrische Kompensation der Schwankungen wesentlich erleichtert und vereinfacht werden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist das am Wandler E auftretende Wechselspannungssignal S2 proportional der Differenz aus der zu messenden Strahlung S0 und der Strahlung S1-AS der Referenzquelle R. Hierin soll S1 ein konstanter gewünschter Signalpegel der Referenzquelle R und — AS die gerade vorliegende Abweichung von diesem gewünschten Pegel bedeuten. Hinter dem Wandler E erhält man demnachAre supplied to A S - If a compensation arrangement used to measure the radiation, so the transducer must alternately the radiation to be measured S 0 and the coming from a reference source radiation R S1. The alternating supply takes place, for example, by means of a mirror attached to the rotary pendulum D. As has already been stated, keeping the reference radiation source R constant generally requires a high expenditure of power from all associated devices, which can only be covered by batteries, which is unfavorable. By means of the reference signal S 4, the generation of a constant reference beam level can be considerably facilitated and simplified by electrical compensation of the fluctuations. As can be seen from the drawing, the signal appearing at converter E AC signal S 2 is proportional to the difference of the radiation to be measured S 0 and the radiation S 1 -AS the reference source R. herein is intended to S 1, a constant desired signal level of the reference source R and - AS mean the current deviation from this desired level. Behind the converter E is therefore obtained
tätskonstante soll hierbei dem Verstärkungsgrad des Verstärkers V1 entsprechen, so daßity constant should correspond to the gain of the amplifier V 1 , so that
S5 = KAS = V1AS S 5 = KAS = V 1 AS
(3)(3)
S2 ~ S0- S1+AS. S 2 ~ S 0 - S 1 + AS.
Dieses Signal S2 wird im Verstärker V1 verstärkt, wobei der Einfachheit halber das Zeichen V1 gleichzeitig für dessen Verstärkungsgrad benutzt werden soll. Das verstärkte Signal S2F1 wird als Signal S3 der Mischstufe M1 zugeführt:This signal S 2 is amplified in amplifier V 1 , for the sake of simplicity the symbol V 1 should be used at the same time for its degree of amplification. The amplified signal S 2 F 1 is fed to the mixer M 1 as signal S 3:
Mit (1) erhält man für dieses Eingangssignal S3 With (1) one obtains S 3 for this input signal
S3 = F1S2 = F1 (S0 -S1+AS). (2)S 3 = F 1 S 2 = F 1 (S 0 -S 1 + AS). (2)
Es wird nun die Abweichung A S der Referenzquelle von dem gewünschten Pegel S1 gemessen und als proportionales Signal S5 über den zweiten Eingang in die Mischstufe Af1 eingespeist. Die Proportionaliist. The deviation AS of the reference source from the desired level S 1 is now measured and fed into the mixer Af 1 as a proportional signal S 5 via the second input. The proportionalist.
In der Mischstufe Af1 wird aus den beiden Signalen S3 und S6 die Differenz gebildet. An ihrem Ausgang erscheint das Signal S6, welches den bisherigen Betrachtungen entsprechendIn the mixer Af 1 , the difference is formed from the two signals S 3 and S 6. The signal S 6 appears at its output, which corresponds to the previous considerations
S6 = S3-S5= F1 (S0 - S1 +AS) -V1AS, das heißt S 6 = S 3 -S 5 = F 1 (S 0 - S 1 + AS) -V 1 AS, that is
ist.is.
Das Differenzsignal S6 ist somit unabhängig von den Änderungen der. Referenzstrahlenquelle. Durch dieses neuartige Verfahren ist es nun nicht mehr erforderlich, die Referenzstrahlenquelle exakt konstant zu halten. Freilich muß auch bei diesem Verfahren, eine Größe konstant gehalten werden, und zwar der Signalpegel S1, yon dem aus die Schwankungen der Vergleichsquelle gemessen werden. Da jedoch in sehr vielen Fällen die Referenzquelle ein thermischer Strahler mit sehr hohem Leistungsaufwand sein wird, ergeben, sich praktisch erhebliche Vorteile, wenn der Signalpegel S1 und nicht die Referenzquelle konstant gehalten werden muß. Es ist selbstverständlich, daß für jede Aufgabe nichtThe difference signal S 6 is therefore independent of the changes in the. Reference beam source. With this new method, it is no longer necessary to keep the reference radiation source exactly constant. Of course, with this method too, one variable must be kept constant, namely the signal level S 1 , from which the fluctuations of the reference source are measured. However, since in very many cases the reference source will be a thermal radiator with a very high expenditure of power, there are practically considerable advantages if the signal level S 1 and not the reference source must be kept constant. It goes without saying that for any task no
', ;: ·. immer alle Teile verwendet werden müssen. Eine einfache Anordnung kann z. B. aus dem Drehpendel, dem Impulsgenerator F, dem Wandler E, dem schmalbandigen Verstärker F2, der Mischstufe Af2, dem Verstärker A und dem Anzeigeorgan Z bestehen. Für andere Aufgaben wird es ausreichen, daß dieser Zusammenstellung der phasenempfindliche Gleichrichter LJ hinzugefügt wird. Es kann auch die gesamte Anordnung als eine Einheit hergestellt werden, in welcher das jeweilig erforderliche Meßverfahren durch entsprechendes Ankoppeln des Referenzsignals S4 erfolgt. Da alle elektrischen Teile herkömmlicher Bauart und im Handel erhältlich sind, ergibt sich eine einfache und leicht herzustellende Einrichtung, durch welche aber dennoch die eingangs aufgezeigten Mängel und Schwierigkeiten behoben sind. ', ;: ·. all parts must always be used. A simple arrangement can e.g. B. from the rotary pendulum, the pulse generator F, the converter E, the narrow-band amplifier F 2 , the mixer Af 2 , the amplifier A and the display element Z. For other purposes it will suffice that the phase sensitive rectifier LJ is added to this assembly. The entire arrangement can also be produced as a unit, in which the respectively required measuring method is carried out by appropriately coupling the reference signal S 4 . Since all electrical parts are of conventional design and are commercially available, the result is a device that is simple and easy to manufacture, but by means of which the deficiencies and difficulties mentioned at the beginning are nevertheless eliminated.
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