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Die vorliegende Erfindung betrifft ein photoelektrisches Verfahren
zur Farbtemperaturmessung, bei dem das Verhältnis der Strahlungsenergien in zwei
verschiedenen Wellenlängenbereichen eines von einem Meßobjekt ausgehenden Strahlungsbündels
photoelektrisch gemessen und die Intensität des Strahlungsbündels mittels einer
die Strahlung in beiden Wellenlängenbereichen wenigstens annähernd gleich beeinfluss
enden Abschwächervorrichtung so eingestellt wird, daß die Strahlungsenergie im einen
Wellenlängenbereich des Strahlungsbündels hinter der Abschwächervorrichtung einen
vorgegebenen Wert hat.
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Es ist bekannt, die Farbtemperatur eines Temperaturstrahlers aus
dem Verhältnis der Strahlungsleistungen in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen
der vom Strahler emittierten Strahlung zu bestimmen (»ABC der Optik«, Edition Leipzig
[1961], Verlag Werner Dausien, Hanau/Main, S. 271/ 272). Es ist ferner bekannt,
zur Bestimmung der Farbtemperatur zwei Photozellen mit stark selektiven Eigenschaften
zu verwenden, deren Empfindlichkeitsbereiche, unter Umständen unter Hinzunahme von
Filtern, auf zwei verschiedene Wellenlängengebiete eingeengt werden (Kohl ran 5
c h, »Praktische Physik«, Bd. : 1, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig, 1953,
S. 302).
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Die Bestimmung der Farbtemperatur eines Temperaturstrahlers aus dem
Quotienten der Strahlungsleistungen zweier gleichzeitig vom selben Ort emittierter
Wellenlängenbereiche hat den Vorteil, daß der Graufaktor des Temperaturstrahlers
in das Meßergebnis nicht eingeht, solange er in den beiden verwendeten Wellenlängenbereichen
für alle zu messenden Temperaturen denselben Wert hat.
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Der Fehler, der durch die Annahme der Gleichheit des Graufaktors
in den benutzten Wellenlängenbereichen bei allen Temperaturen entsteht, läßt sich
im allgemeinen durch geeignete Wahl der Wellenlängenbereiche sehr klein machen.
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Bei Verfahren zur Farbtemperaturmessung, bei denen der Quotient der
Strahlungsleistungen zweier Wellenlängenbereiche der emittierten Strahlung photoelektrisch
bestimmt wird, ergeben sich in der Praxis jedoch beträchtliche Schwierigkeiten aus
der Tatsache, daß es bisher keine strahlungsempfindlichen photo elektrischen Einrichtungen,
wie Photozellen, Photowiderstände, Halbleiter-Photodioden oder Photovervielfacher
(SEV), gibt, die in dem erforderlichen Intensitätsbereich eine lineare Kennlinie
haben. Man hat daher bisher verhältnismäßig aufwendige Maßnahmen ergreifen müssen,
um diesen Nachteil der verfügbaren photoelektrischen Einrichtungen unwirksam zu
machen.
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Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist in der deutschen Patentschrift
1 281 175 bereits vorgeschlagen worden, bei einem Strahlungspyrometer zur Messung
der Farbtemperatur eines Meßobjektes, bei welchem abwechselnd Strahlung zweier verschiedener
Wellenlängen auf einen Strahlungsempfänger geleitet und als Maß für die Farbtemperatur
durch elektrische Mittel der Quotient der so erhaltenen Strahlung gebildet wird,
im einen für beide Wellenlängen gemeinsamen Teil des Strahlenganges eine Blende
anzuordnen, die durch eine von den Signalen des Strahlungsempfängers beaufschlagte
Stellvorrichtung derart verstellbar ist, daß das jeweils größere dieser Signale
auf einem vorgegebenen Amplitudenwert gehalten wird.
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Die bei den bekannten und dem vorgeschlagenen Verfahren für Farbtemperaturmessung
erforderlichen Quotientenbildung zur Erzeugung des die Farbtemperatur darstellenden
Signals ist verhältnismäßig umständlich und aufwendig. Der vorliegenden Erfindung
liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein photo elektrisches Verfahren zur
Farbtemperaturmessung und ein Farbtemperaturmeßgerät anzugeben, bei dem das die
Farbtemperatur darstellende Signal ohne Quotientenbildung mit einfachsten Mitteln
erzeugt wird.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem photoelektrischen
Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei unveränderter Einstellung
der Abschwächervorrichtung die Strahlungsenergie im anderen Wellenlängenbereich
des Strahlungsbündels hinter der Abschwächervorrichtung direkt gemessen und der
Meßwert, der die gewünscht Farbtemperatur darstellt, angezeigt wird.
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Dieses Verfahren hat nicht nur den Vorteil, daß es einfach ist und
sich mit einem Minimum an apparativem Aufwand realisieren läßt, sondern auch daß
nicht wie bei dem vorgeschlagenen Verfahren das Signal mit der größeren Amplitude
konstant gehalten zu werden braucht, sondern ein beliebiges der beiden Signale konstant
gehalten werden kann. Es brauchen also auch keine Vorkehrungen getroffen werden,
um die Steuerung der Regelvorrichtung vom einen Signal auf das andere umzuschalten,
wenn das Amplitudenverhältnis der beiden Signale sein Vorzeichen umkehrt.
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Farbtemperaturmeßgeräte zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,
Fig. 2 eine vereinfachte Draufsicht auf eine praktische Ausführungsform des in Fig.
1 dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung und F i g. 3 eine Schnittansicht
in einer Ebene 3-3 der Fig. 2.
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Die vom Meßobjekt ausgehende Strahlung wird beispielsweise durch
ein nicht dargestelltes Fernrohr kollimiert und fällt als Parallelstrahlenbündel
1 in ein Objektiv 3 des Farbtemperatur-Meßgerätes ein. Das aus dem Objektiv 3 austretende
konvergente Strahlenbündel 5 wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 7 in zwei
Teilstrahlenbündel 9, 11 aufgeteilt, aus denen durch Filter 13, 15 zwei verschiedene,
vorzugsweise möglichst eng begrenzte Wellenlängenbereiche ausgefiltert werden. Die
von den Filtern durchgelassenen Teile der Strahlenbündel 9, 11 fallen durch Streulichtblenden
17, 19, die etwa in der Brennebene des Objektivs 3 angeordnet sind, auf Photowiderstände
21 bzw. 23.
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Der Photowiderstand 21 liegt in einem Arm einer Brücke 25, die drei
weitere Widerstände enthält, von denen der eine Widerstand 26 oder mehrere veränderlich
sind, um die Brücke im empfindlichen Bereich (alle Widerstände ungefähr gleich)
zu halten. An die eine Brückendiagonale 27-29 ist eine Spannungsquelle Ul, an die
andere Brückendiagonale 31-33 ein Verstärker 35 und an diesen ein Meßgerät 37 angeschlossen.
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Der Photowiderstand 23 bildet ebenfalls einen Arm einer Brücke 39,
die drei weitere Widerstände
enthält, von denen einer oder mehrere,
z. B. der Widerstand 41, verstellbar sein können. Die eine Brückendiagonale 43-45
wird durch eine Spannungsquelle U2 gespeist, an die andere Brückendiagonale 47-49
ist ein Verstärker 51 und an diesen ein Stellmotor 53 angeschlossen. Der Stellmotor
53 dient zum Antrieb einer als farbneutrale Abschwächervorrichtung dienenden Aperturblende
55 im Objektiv 3, durch die der das Objektiv durchsetzende Lichtstrom gesteuert
werden kann.
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Im Betrieb wird die Blende55, z. B. eine Irisblende, durch den Motor
53 so lange verstellt, bis die Brücke 39 abgeglichen, d. h. die Spannung an der
Brückendiagonale 47-49 Null ist. Die auf den Photowiderstand 23 fallende Strahlungsenergie
hat dann also immer den gleichen Wert, der unabhängig von der Temperatur des Meßobjektes
ist und mittels des Widerstandes 41 so eingestellt werden kann, daß der Photowiderstand
23 im optimalen Bereich arbeitet, in dem keine Ermüdungserscheinungen zu befürchten
sind. Da der Photowiderstand 23 immer mit der gleichen Strahlungsenergie beaufschlagt
wird, spielt der Verlauf seiner Kennlinie keine Rolle. Die Spannung U braucht nicht
stabilisiert zu sein, da die Brücke 39 praktisch im abgeglichenen Zustand arbeitet.
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Das auf den Photowiderstand 21 fallende Strahlungsbündel wird in
seiner Intensität durch die Blende 55 mitgeregelt. Wenn die Brücke 25 mit einer
stabilisierten Spannung gespeist wird, kann die Spannung an der Diagonale31-33,
gegebenenfalls nach Verstärkung, unmittelbar vom Meßgerät 37 angezeigt werden, das
dann in Farbtemperaturgraden geeicht ist. Man kann die Brücke 25 jedoch auch mittels
des Widerstandes 26 auf Null abgleichen, die Farbtemperatur ergibt sich dann aus
der Einstellung des Widerstandes 26.
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Bei Verwendung unstabilisierter Spannungen werden die beiden Brücken
25, 39 vorzugsweise aus der gleichen Spannungsquelle gespeist.
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Fig. 2 und 3 zeigen etwas vereinfacht eine praktische Ausführungsform
des in F i g. 1 schematisch dargestellten Meßgerätes. Für gleiche Teile sind gleiche
Bezugszeichen verwendet worden, so daß sich eine ins einzelne gehende Erläuterung
erübrigt. Das Farbfilter 15, die Streulichtblende 19 und der Photowiderstand 23
sind in einem Tubus 57, das Farbfilter 13, die Streulichtblende 17 und der Photowiderstand
21 in einem Tubus 59 angeordnet. Der Tubus 59 ist an einer Welle 61 schwenkbar gelagert,
die in einem das Gerät umschließenden, lichtdichten Gehäuse 63 bzw. einer Stütze
65 gelagert ist und mittels eines Knopfes 67 von Hand gedreht werden kann. Der Tubus
59 kann dadurch aus dem Weg des Bündels 9 geschwenkt werden, das bei ausgeschwenktem
Tubus 59 (in F i g. 3 gestrichelt dargestellt) in ein Okular 69 fällt, das ein Fadenkreuz
od. dgl. enthält. Bei ausgeschwenktem Tubus 59 kann das Gerät dann leicht auf einen
bestimmten Punkt des Meßobjektes eingerichtet werden, in dem man durch das Okular
69 und das Objektiv 55 (und gegebenenfalls ein weiteres, nicht dargestelltes Fernrohr,
das baulich mit dem Objektiv 3 vereinigt sein kann) das Meßobjekt anvisiert.
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Anstatt den ungeteilten Lichtstrom mittels der Blende 55 zu steuern,
können selbstverständlich auch zwei synchron betätigte Aperturblenden in den Teillichtströmen
9, 11 vorgesehen werden. An Stelle von
Aperturblenden könnte man selbstverständlich
auch Graukeile, gegeneinander verdrehbare Polarisatoren oder andere bekannte Abschwächer
verwenden, die jedoch im Vergleich zu Aperturblenden meist den Nachteil haben, daß
sie gewöhnlich nicht vollständig farbneutral sind. Statt des halbdurchlässigen Spiegels
7 kann auch ein Interferenzfilter zur Teilung des einfallenden Lichts in zwei Bündel
verwendet werden.
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Die Anordnung Lichtteiler 7 t Farbfilter 13, 15 läßt sich ersetzen
durch ein Prisma oder Beugungsgitter mit an passender Stelle angeordneten strahlungsempfindlichen
Einrichtungen.
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Anstatt die Brücke 25 mittels des Widerstandes 26 abzugleichen, könnte
selbstverständlich auch ein zusätzlicher Abschwächer, z. B. eine Aperturblende,
im Weg des Teilstrahlenganges 9 vorgesehen werden, der ähnlich wie die Aperturblende
55 gesteuert werden kann und dann gewährleistet, daß der Photowiderstand 21 immer
mit konstanter Strahlungsintensität beaufschlagt wird. Die Farbtemperatur wird dann
an der Einstellung dieses zusätzlichen Abschwächers abgelesen. Im Prinzip kann auch
das Ausgangssignal der strahlungsempfindlichen Einrichtung direkt, d. h. ohne Brücke
angezeigt werden.
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Es ist selbstverständlich auch nicht nötig, die Regelung der Blende
45 in der dargestellten Weise zu automatisieren. Für einfache und billige Meßgeräte
kann beispielsweise eine einzige Brücke mit einem Null-Instrument vorgesehen sein,
in die wahlweise einer der Photowiderstände 21, 23 (gegebenenfalls mit einem zusätzlichen
Abgleichwiderstand) eingeschaltet werden kann. Im Betrieb wird diese Brücke dann
zuerst an den Photowiderstand 23 angeschlossen, die Aperturblende 55 wird so lange
verstellt, bis das Brückeninstrument Null anzeigt, dann wird die Brücke auf den
Photowiderstand 21 umgeschaltet und wieder auf Null abgeglichen, die Einstellung
des zum Abgleich verwendeten Widerstandes gibt dann die Farbtemperatur an. Außerdem
kann sogar ein und dieselbe strahlungsempfindliche Einrichtung nacheinander mit
dem Licht der beiden Wellenlängenbereiche beaufschlagt werden. In diesem einfachsten
Fall kann dann das Gerät z. B. ein Objektiv, einen Abschwächer, z. B. eine Aperturblende,
zwei wahlweise in den Strahlengang einschaltbare, schmalbandige Farbfilter (z. B.
Interferenzfilter) und eine Photozelle enthalten. Man bringt dann zuerst das erste
Farbfilter in den Strahlengang, stellt den Ausschlag des an die strahlungsempfindliche
Einrichtung angeschlossenen Meßgerätes mittels des Abschwächers auf einen bestimmten
Bezugswert ein, bringt dann bei unverändertem Abschwächer das zweite Farbfilter
an Stelle des ersten in den Strahlengang und liest an einer entsprechend geeichten
Skala des Meßgerätes die Farbtemperatur ab.
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Dieses einfache Gerät würde also von den in F i g. 1 dargestellten
Bauelementen nur das Objektiv 3, die Abschwächervorrichtung 55, zwei Filter, die
wahlweise an den Ort des Filters 13 gebracht werden können, den Photowiderstand
21 und die mit diesem verbundene Anzeigevorrichtung enthalten.