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Die Erfindung betrifft ein Radiometer mit einem Strahlungsdetektorelement,
einem Gehäuse, dessen Innenwand mit einer Schwarzkörperbezugsfläche versehen ist,
und dessen Strahlungsdetektorelement an dem einen Ende des Gehäuses zum Empfang
von durch dieses fallenden Strahlen angeordnet ist, und mit einem über das entgegengesetzte
Ende des Gehäuses bewegbaren Unterbrecher.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 096 323 ist ein Radiometer bekannt,
bei dem der Weg der Strahlung von einer zu messenden Quelle zu einem Detektorelement
durch eine rotierende Blende abwechselnd unterbrochen und freigegeben wird. Die
dem Detektorelement zugewandte Seite der Blende ist als Spiegel ausgebildet, der
bei unterbrochener Meßstrahlung die Strahlung einer Bezugsquelle zum Detektorelement
hin reflektiert.
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Die deutsche Patentschrift 636 170 beschreibt ein Radiometer, bei
dem abwechselnd die zu messende Strahlung und die Bezugsstrahlung mittels einer
rotierenden Blende zu einem Detektorelement geleitet werden, wobei die eine Strahlung
über einen konkaven Spiegel und die andere durch eine Öffnung in diesen Spiegel
auf das Detektorelement gerichtet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radiometer mit kompakten Aufbau
zu schaffen, bei dem zudem die Reflexion der Eigenstrahlung des Detektorelementes
minimal ist, wenn es der Schwarzkörperbezugsfläche ausgesetzt ist.
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Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß der Unterbrecher eine konkave,
drehbar befestigte Reilexionsfläche zur Reflexion der von der Schwarzkörperbezugsfläche
ausgesandten Strahlung und eine Öffnung zum Durchlassen der Strahlung einer externen
Strahlenquelle besitzt, die abwechselnd vor das entgegengesetzte Ende des Gehäuses
gelangen, und daß den Strahlengang beeinflussende Vorrichtungen einschließlich der
konkaven Reflexionsfläche vorgesehen sind, die die Strahlen derart fokussieren,
daß bei verdeckter Öffnung praktisch nur die von der Schwarzkörperbezugsfläche ausgehende
Strahlung auf den Strahlungsdetektor fällt.
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Dadurch, daß die rotierende Blende gleichzeitig als konkave Reflexionsfläche
ausgebildet ist, ergibt sich eine äußerst kompakte Anordnung, die, während das Detektorelement
der Schwarzkörperbezugsfläche ausgesetzt ist, praktisch die instabile Eigenstrahlung
des Detektorelementes unterdrückt. Das erfindungsgemäße Radiometer weist deshalb
einen höheren Genauigkeitsgrad als die bekannten Radiometer auf und gestattet eine
genaue Messung des Absolutwertes der Strahlung.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung
erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Radiometers,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linien2-2 der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt entlang
der Linien3-3 der Fig. 2, F i g. 4 ein Blockdiagramm einer Heizungskontrollschaltung,
wie sie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1, 2 und 3 verwendet
wird und F i g. 5 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals des Radiometers
gemäß den F i g. 1 bis 4.
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Kurz gesagt, besteht das in den Zeichnungen, ins-
besondere in Fig.
3, veranschaulichte Ausführungsbeispiel aus einer Detektoranordnung 10 für Infrarotstrahlung,
die in einem Gehäuse 20 mit einer konischen Schwarzkörperbezugsfläche sitzt. Die
Detektoranordnung 10 enthält ein Detektorelement, das in der kleineren Öffnung des
Konus angeordnet ist.
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Beim Ausführungsbeispiel ist eine kreisförmige Kollimatorlinsenanordnung
30 in der größeren kreisförmigen Öffnung des Konus vorgesehen. Eine Temperaturregelung
40 dient dazu, die Schwarzkörper-Bezugsfläche auf konstanter Temperatur zu halten.
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Eine geeignete Halterungsanordnung 50 stützt das Gehäuse 20, die Detektoranordnung
10 und die Kollimatorlinse 30 fest ab, die sämtlich innerhalb einer drehbar befestigten
kugelförmigen Unterbrecheranordnung 60 untergebracht sind. Die Unterbrecheranordnung
60 besitzt diametral gegenüberliegende konkave kugelförmige Unterbrecherelemente.
Diese reduzieren die Aufnahme der eigenen reflektierten Strahlung der Strahlungsdetektorelemente
während der Schwarzkörperperioden auf ein Minimum.
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Im einzelnen besteht die Detektoranordnung 10 für Infrarotstrahlung
gemäß F i g. 3 aus einer hyperhemisphären aplanaren Linse 11 mit einem darauf befestigten
photoempfindlichen Detektorelement 12.
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Auch Infrarotstrahlungsdetektorelemente können angewendet werden.
Das photoempfindliche Element 12 besitzt zwei Ausgangsleitungen 13 und 14. Die Detektoranordnung
10 ist fest in einem Gehäuse 20 untergebracht. Dieses Gehäuse 20 besitzt eine kegelstumpfartig
geformte Schwarzkörperbezugsfläche 21, die eine kleine kreisförmige Öffnung 22 an
dem einen und eine große kreisförmige Öffnung 23 an dem gegenüberliegenden Ende
definiert. Die äußeren Teile des Gehäuses 20 sind aus Wärmeisoliermaterial, damit
eine Strahlung außerhalb des Bezugschwarzkörpers 24 vermieden wird. Die kegelstumpfartige
Schwarzkörperfläche 21 ist, wie aus den F i g. 2 und 3 hervorgeht, angerauht und
bildet die innere Fläche des dünnen kegelstumpfartigen Körpers 24, der vorzugsweise
aus einem Material hergestellt ist, das ein guter Wärmeleiter ist. Eine Öffnung
25 dient zur Aufnahme der Wicklungen 41 und 42 des thermischen Steuersystems 40.
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Außerhalb der großen kreisförmigen Öffnung 23 und koaxial mit dem
konischen Körper 24 ist ein Flansch 26 angeordnet. Die Kollimatorlinsenanordnung
30 besitzt eine Kollimatorlinse 31, die fest auf dem kreisförmigen Flansch 26 koaxial
zu den Öffnungen 22 und 23 und der Linse 11 und dem Detektorelement 12 angebracht
ist. Ein geeignetes Befestigungsteil 32 für den Wärmeisolator mit einer kreisförmigen
Öffnung, die kleiner als der Durchmesser der Linse 31, jedoch größer als der Durchmesser
der Öffnung 23 ist, kann zur-Befestigung an dem Gehäuse 20 gemäß F i g. 3 verwendet
werden.
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Ein anderes kegelstumpfförmiges Teil 27 wird zusammen mit dem konischen
Körper 24 verwendet und definiert eine konische Ausnehmung 25; es dient zur elektromagnetischen
Abschirmung der Wicklungen 41 und 42 des Temperatursteuerungssystems 40, das in
der Öffnung 25 untergebracht ist. Die Halterungsanordnung 50 dient zur festen Halterung
aller zuvor beschriebenen Elemente. Wie sich aus F i g. 3 ergibt, ist ein oberer
Haltestift 51 vorgesehen, der sich nach unten durch eine kreisförmige Öffnung 28
im Gehäuse 20 bis zur Auflage auf der äußeren Fläche des konischen Teiles 27 erstreckt.
Eine ähnliche kreisförmige
Öffnung 29, die koaxial zu der Öffnung
28 ist, ist in dem Gehäuse 20 zur Aufnahme eines sich nach oben erstreckenden hohlen
Befestigungsstiftes 52 vorgesehen, der ebenfalls in Anlage mit der äußeren Fläche
des konischen Teiles 27 kommt. Geeignete Mittel, beispielsweise eine Schraube, im
Gehäuse 20 dienen zur Festlegung der Stifte 51 und 52 relativ zum Gehäuse 20. Die
Stifte 51 und 52 sind in bezug zueinander festgelegt und vorzugsweise in dem gleichen
Rahmen befestigt.
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Der Stift 51 besitzt einen koaxialen kreisförmigen Flansch 53, während
der Stift 52 mit einem ähnlichen kreisförmigen Flansch 54 versehen ist, der sich
von ihm weg erstreckt. Ein Kugellager 55 ist zwischen dem Flansch 53 und der Unterbrecheranordnung
60 vorgesehen. In ähnlicher Weise befindet sich ein Kugellager 56 zwischen dem Flanschteil
54 und der Unterbrecheranordnung 60. Das Kugellager 55 ist auf dem Stift 51 und
das Kugellager 56 auf dem Stift 52 befestigt. Diese Kugellager gestatten eine freie
Drehung der Unterbrecheranordnung 60 um ihre Rotationsachse Ac, wie sie durch die
koaxialen Stifte 51 und 52 definiert wird.
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Die Unterbrecheranordnung 60 besitzt ein unteres tellerförmiges Basisteil
61 mit einer kreisförmigen Öffnung 62 zur Aufnahme des Stiftes 52. Ein kreisförmiger
Flansch 63 erstreckt sich abwärts von dem Basisteil 61. Der Flansch 63 besitzt einen
inneren Durchmesser, der geringfügig größer als der Außendurchmesser des Kugellagers
56 ist, und ist koaxial zu der Rotationsachse Ac angeordnet. Die Öffnung 62 ist
geringfügig kleiner als der Durchmesser des äußeren Ringes 56 a, so daß eine Auflagefläche
für das Basisteil 61 lediglich auf dem äußeren Ring 56 a des Kugellagers 56 gebildet
wird. Hierdurch ergibt sich eine freie Rotation des Basisteiles 61 und der Unterbrecheranordnung
60 um den Stift 52. Die Unterbrecheranordnung 60 besitzt auch ein oberes tellerförmiges
konkaves Basisteil 64 mit einer kreisförmigen Öffnung 65 mit einem Durchmesser,
der geringfügig kleiner als der äußere Ring 55 a des Kugellagers 55 ist. Ein kreisförmiger
Flansch 66 erstreckt sich aufwärts von dem Basisteil 64 und besitzt einen inneren
Durchmesser, der geringfügig größer als der Außendurchmesser des Ringes 55 a ist.
Durch diese Halterung ist die Unterbrecheranordnung 60 drehbar um die Rotationsachse
Ac gelagert. Auf dem unteren Basisteil 61 ist koaxial zu den Stiften 51 und 52 ein
Zahnrad 67 (F ig. 1 und 3) befestigt. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, dient das Zahnrad
67 zum Antrieb über Antriebsmittel 80, bestehend aus einem Motor 81, einer Motorwelle
82 und einem Antriebszahnrad 83 mit einer gewünschten Drehzahl.
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Die Unterbrecheranordnung 60 besitzt eine Blendenanordnung 70, die
an dem unteren Basisteil 61 und dem oberen Basisteil 64 befestigt und mit diesem
drehbar ist. Wie aus den F i g. 1, 2 und 3 hervorgeht, besitzt diese Blendenanordnung
70 eine erste und zweite Blende 71 bzw. 72. Wie F i g. 2 zeigt, definieren diese
Blendenteile 900 einer Kugel mit inneren Reflexionsflächen und einem Krümmungsmittelpunkt,
der bei Cc liegt. Gemäß Fig.2 und 3 ist dieser Krümmungsmittelpunkt dieser Reflexionsflächen
auf der Achse der Kollimatorlinse 31, der Achse der aplanaren Linse 11 und weiterhin
des Photoelementes 12 und dem konischen Schwarzkörper angeordnet.
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Im einzelnen wird das Verschlußteil 71 durch eine innere sphärische
konkave Reflexionsfläche 73 gebil-
det, die identisch in Form und Größe mit einer
sphärischen konkaven Reflexionsfläche 74 des Verschlußteiles 72 ist. Die Reflexionsfläche
73 wird durch die zwei longitudinal verlaufenden Kanten 75 und 76 Verschlußteiles
71 definiert. In ähnlicher Weise definieren die Kanten 77 und 78 des Verschlußteiles
72, die im Bezug zum Krümmungsmittelpunkt Cc longitudinal verlaufen, die Reflexionsfläche
74. Auch die Kanten75 und 76 verlaufen bezüglich des Krümmungsmittelpunktes Cc longitudinal.
Die Kante 76 und die Kante 77 verlaufen diametral zueinander, d. h. daß sie eine
Ebene mit dem Krümmungsmittelpunkt Cc definieren. Ebenso definieren die Kanten 75
und 78 mit Cc eine zweite Ebene, die senkrecht auf der durch die Kanten 76 und 77
definierten ersten Ebene steht. Wie sich deutlich aus F i g. 3 ergibt, sind die
oberen Kanten der Verschlußteile 71 und 72 mit dem Basisteil 64 verbunden, während
die unteren Kanten der Verschlußteile 71 und 72 mit dem unteren Basisteil 61 (Fig.
3) befestigt sind; dies bedeutet, daß die Verbindungen in horizontalen Ebenen liegen.
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Die zuvor beschriebenen Kanten 75 bis 78 definieren die Reflexionsflächen
73 und 74. Außerdem definieren die Kante 75 und die Kante 77 eine 900-Öffnung 79
in der Unterbrecheranordnung 60, während die Kanten 76 und 78 eine andere 900-Öffnung
79 a in dieser Anordnung definieren. Die Öffnungen 79 und 79 a bilden Öffnungen
für den Durchlaß der Strahlung und haben dieselbe Größe, Form und Weite wie die
Refiexionsfächen 73 und 74. Diese Öffnungen werden durch die oberen und unteren
Enden zwischen unteren und oberen Kanten der Basisteile 64 bzw. 61 definiert. Somit
ergibt, wie aus Fig. 2 ersichtlich, eine Rotation der Unterbrecheranordnung 60 mit
konstanter Geschwindigkeit gleiche abwechselnde Zeitperioden, während denen der
Detektor 12 der Strahlung durch entweder die Öffnung 79 oder 79 a, die Linse 31,
Linse 11 dnd Element 12 ausgesetzt ist und Perioden, während denen die Strahlung
von der Schwarzkörperfläche 21 durch Linse 31 entweder zur Fläche 75 oder 74 und
zum Element 12 reflektiert wird.
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Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel ist besonders geeignet zur
Erkennung infraroter Strahlung.
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Somit sind die Reflexionsflächen 73 und 74 entweder mit Gold beschichtet
oder daraus hergestellt, das einen hochwirksamen Reflektor für infrarote Strahlen
darstellt.
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Das konische Abschirmteil 27 und der konische Körper 24 definieren
die Ausnehmung 25, die eine geeignete thermische Regelung enthält. Beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel besteht die Temperaturregelung 40 aus temperaturempfindlichen
Windungen 41 und Heizwindungen 42, die abwechselnd um den dünnen konischen Körper
24 gewickelt sind.
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Dies bedeutet, wie aus F i g. 2 und 3 ersichtlich, daß jede zweite
Windung eine temperaturempfindliche Windung41 ist, während dazwischen jeweils Heizwindungen
42 liegen. Eine Stromversorgung 43 speist eine übliche Stromregelung 44. Das Ausgangssignal
der temperaturempfindlichen Windungen 41 regelt die Größe des von der Stromversorgung
43 in die Heizwicklungen 42 geschickten Stromes. Somit wird wie bei jeder üblichen
Temperaturregelung beim Anwachsen der Temperatur des konischen Körpers 24 der an
die Heizwicklungen 42 gelegte Strom verringert. Wenn andererseits die Temperatur
der temperaturempfindlichen Wicklungen 41 absinkt, wird der
Strom
in den Heizwindungen 42 erhöht. Auf diese übliche Art kann die Temperatur der Schwarzkörperfläche
21 konstant gehalten werden. Somit ist die Infrarotstrahlung dieses Bezugsschwarzkörpers
genau bestimmt.
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Die Ausgangsanschlüsse 45 der Wicklung 41 können durch eine geeignete
Öffnung im Teil 27 und dann durch das hohle Innere des Stiftes 52 und aus diesem
heraus geführt werden, wie dies Fig. 3 zeigt. Die Ausgangsleiter 13 und 14 können
ebenfalls durch eine geeignete Öffnung in dem Gehäuse 20 durch den hohlen Befestigungsstift
53 und aus diesem heraus gemäß Fig. 2 und 3 geführt werden. Der Einfachheit halber
sind diese Leiter jedoch nicht gezeigt.
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Die Kollimationslinse 31 wird dazu verwendet, um die Strahlen in
Richtung zu der infraroten aplanaren Linse 11 und daraufhin zu dem Infrarot-Detektorelement
12 zu fokussieren. Die Kollimationslinse 31 bündelt sowohl die Strahlen von einer
externenlnfrarotquelle als auch von der Schwarzkörperfläche, wie sie von den Blendenflächen
73 bzw. 74 reflektiert werden.
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Die Infrarotstrahlen, die die Linse 31 erreichen und parallel zur
Achse (AL) der Linse 31, der Linse 11 und dem Detektor 12 verlaufen, werden in dem
Mittelpunkt des Infrarot-Detektor-Elementes 12 fokussiert. Außerdem verlaufen Strahlen,
die diese Linse unter einem vorbestimmten Winkel abhängig von dem Blickfeld des
Linsensystems erreichen, durch die Linse 31, die Linse 11 und dann zu der einen
oder anderen Seite des Infrarot-Detektor-Elementes 12. Da dieser Winkel bei diesem
Ausführungsbeispiel sehr klein ist, sollen nur Strahlen diskutiert werden, die parallel
zur Achse der Linse 31 und der Linse 11 (als Achse AL) verlaufen. Die anderen Strahlen,
die das Detektorelement 12 erreichen, weichen nur geringfügig von den parallelen
Strahlen ab.
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Der Krümmungsmittelpunkt Cc der kugelförmigen Reflexionsflächen 73
und 74 liegt auf der Rotationsachse asc der Unterbrecheranordnung 60. Normalerweise
würde der Brennpunkt der Reflexionsflächen 73 und 74 in der halben Entfernung zwischen
dem Krümmungsmittelpunkt Cc und den Reflexionsflächen 73 und 74 liegen. Bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch fällt dieser Punkt in die Mitte der Linse
31 ; infolge der Brechung der Linse 31 fällt ein Brennpunkt Fs in die Nähe der Hauptfläche
der Linse, wie dies in F i g. 2 veranschaulicht ist. Außerdem liegt dieser Brennpunkt
Fs auf der Achse AL der Linse 31 und 11. Durch diese Anordnung ergibt sich eine
Maximalrefiexion von der Schwarzkörperfiäche 21 und trotzdem eine kompakte Anordnung
für die Blenden 71 und 72. Der Krümmungsmittelpunkt CC fällt auch auf die Linsenachse
AL, und zwar in deren Schnittpunkt mit der Rotationsachse AC.
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Während der Periode, während der entweder die Öffnung 79 und 79a
den Detektor 12 einer äußeren Infrarotstrahlung aussetzt, bilden die zuvor diskutierten
Parallelstrahlen eine kegelstumpfartige Konfiguration zwischen Linse 31 endend in
Linse 11. Zwei Strahlen an den äußeren Extremstellen des obengenannten Kegelstumpfes
sind in F i g. 2 als Strahlen r1 und r2 gezeigt. Strahlen, die zwischen diesen zwei
oder entlang des Umfanges derselben verlaufen, erreichen ebenfalls den Detektor
12 durch die Linse 11.
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Da der Krümmungsmittelpunkt Cc auf der Rotationsachse A c und der
Linsenachse A L liegt, haben die Reflexionsflächen 73 und 74 eine feste Beziehung
zu den Linsen 31 und 11, unabhängig von der Dreh-
position der Blenden. F i g. 2
veranschaulicht die vollständig geschlossene Blende. Während einer derartigen Periode
tritt Infrarotstrahlung zwischen der Schwarzkörperfläche 21 durch die Linse 31 auf,
die von der Konkavfläche 73 zum Detektorelement 12 reflektiert wird. Der Brennpunkt
F5 liegt auf der Linsenachse AL, und die ganze Strahlung von der Schwarzkörperfiäche
21, die durch Fs verläuft, wird von den Flächen 73 oder 74 weg reflektiert, so daß
sie die Linse 31 parallel zur Linsenachse AL trifft.
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Hieraus ergibt sich, daß diese Strahlen auf die Linse 31 und die Linse
11 und das Detektorelement 12 in dem gleichen kegelstumpfartigen Muster auftreffen,
wie bei einer externen Infrarotstrahlung. Derartig reflektierte Strahlen sind in
Fig.2 als R, und R2 veranschaulicht.
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Wie sich aus dieser Figur ergibt, verlaufen beide Strahlen durch
den Brennpunkt Fs, wobei der eine in der Nachbarschaft der großen Öffnung 23 und
der andere nahe der kleinen Öffnung 22 ausgeht. Wie gezeigt, verlaufen beide Strahlen
durch die Linse 31 und, nachdem sie von der Fläche 73 reflektiert wurden, treffen
sie parallel zur LinsenachseAL auf die Linse 31 auf. Das Eintreten in die Linse
31 parallel zu der Achse hat ein Auftreffen dieser Srtahlen auf dem Detektor 12
in der Nähe des Detektormittelpunktes zur Folge.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, verlaufen Strahlen r1 und r2 durch die Linse
31, die Linse 11 zum Detektor 12, wenn die Öffnung 79 und 79 a eine Bestrahlung
von außen gestatten. Während der Schwarzkörperbezugsperiode verlaufen die Strahlen,
und R2 durch den Brennpunkt Fs, werden gebrochen und von der Fläche 73 weg reflektiert.
In F i g. 2 ist veranschaulicht, daß der Strahl parallel zur Achse AL reflektiert
wird, auf einem ähnlichen Pfad wie Strahl r2, und dann durch die Linse 11 zum Detektor
12 gelangt. Es ist zu beachten, daß der Schwarzkörperstrahl R2 nach Reflexion von
der Fläche 73 die Linse 11 unter einem sehr kleinen Winkel zum Auftreffen auf den
Detektor 12 erreicht. Während der Schwarzkörperperiode würde die Strahlung aus diesem
Winkel von dem Detektor 12 denselben Weg gehen wie Strahl R2, jedoch in umgekehrter
Richtung. Hieraus ergibt sich, daß die Reflexion unter diesem Winkel von dem Detektor
12 während einer Schwarzkörperperiode nicht auf diesen selbst zurückreflektiert
würde. Es ist zu beachten, daß dieser Winkel sehr klein ist und trotzdem keine Rückreflexion
auftritt. Es ergibt sich somit, daß jegliche Reflexion der Eigenstrahlung infolge
der Ausbildung der Reflexionsflächen 73 und 74 äußerst klein ist, insbesondere im
Vergleich zu der gesamten Schwarzkörperstrahlung.
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Wie schon erwähnt wurde, könnte die Erfindung mit einer Detektoranordnung
10 verwendet werden, die lediglich einen Infrarotstrahlungsdetektor enthält, beispielsweise
ein infrarotphotoempfindliches Element ähnlich dem Detektorelement 12. Diese Elemente
sind gewöhnlich von der Art, die eine Vorspannung an ihnen verwenden mit einem Widerstand,
der von dem Betrag der Infrarotstrahlungsbelichtung abhängt.
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Deshalb sind die Detektorleiter 13 und 14, wie gezeigt, mit einer
Vorspannungsquelle und einem Detektor verbunden, die übliche Mittel zur Messung
eines derartigen Spannungsausgleichssignals darstellen.
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F i g. 5 veranschaulicht eine Ausgangsspannung von dem Detektorelement
12, aufgetragen über der
Belastungszeit der Unterbrecheranordnung
60. Wie in diesem Diagramm gezeigt, bilden die Belichtungen mit äußerer Infrarotstrahlung
Täler in dem Spannungswert, während die Schwarzkörperreflexionen die Berge dieser
Gleichspannung mit einem Schwarzkörper bei etwa 700 F = etwa 200 C bewirken. Somit
kann die Spannungsdifferenz zwischen den Schwarzkörperbezugsspannungsspitzen und
den Tälern für externe Infrarotstrahlung, in Fig. 5 als E1 bezeichnet, ein absolutes
Maß für eine externe Infrarotstrahlung oder die Temperatur sein.