DE2101686C3 - Photographisches Verfahren zur Bestimmung von Färb- und wahren Temperaturen glühender Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Färb- und wahren Temperaturen mit Hilfe eines photographischen Materials, dessen Schwärzungskurve lieh aus einem positiven und einem negativen Ast unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit mit einer dazwischenliegenden Einsattelung zusammensetzt.

Für die Temperaturmessung von glühenden Körpern, Schmelzen oder Gasen sowie die Farbtemperaturbeitimmung von Temperaturstrahlern wurden bisher, abgesehen von den Thermoelementen (bis ca. 2000° K), hauptsächlich optiscne Meßmethoden benutzt (I). Hierzu gehören die verschiedenen strahlungspyrometrie $chen Meßverfahren (2). die Pyrometrie mit Hufe von photographischen Mehrschichtfarbmatenalien(3). Temperat-jrbestimmungen aus der Doppierverbreiterung von Spektrallinien bei Gasen, photooptische Tempera lurregistrierung mit zwei Kameras und neuerdings eine Laserstrahl-Reflex ions Methode.

Während die strahlungspyrometnschen Meßmetho den in vielen Variationen Eingang in die Meßtechnik gefunden haben, handelt es sich bei den übrigen Methoden um recht spezielle und zürn Teil auch sehr aufwendige Verfahren, insbesondere was die Kalibrier rung der betreffenden Meßsysteme anbetrifft.

Bei den Strahlungspyrometern unterscheidet man, je nachdem, ob die Temperatur aus der Strahlungsdichte oder der relativen spektralen Verteilung ermittelt wird, zwischen Strahldichte- und Verteilungspyrometern. Erstere lassen sich nach ihrem spektralen Empfindlichkeitsbereich einteilen in

a) Gesamtstrahlungspyrometer, deren Empfindlichkeit im gesamten energetisch wirksamen Spektral-, bereich der Temperaturstrahlung annähernd unabhängig von der Wellenlänge ist;

b) Bandstrahlungspyroineter, deren Empfindlichkeit ίο sich über einen verhältnismäßig breiten Spektralbereich erstreckt und

c) Spektralpyrometer, mit einer Empfindlichkeit über einen sehr engen Spektralbereich.

Die Verteilungspyrometer werden eingeteilt in:

a) Farbangleichpyrometer, mit denen die Temperatur durch Angleich des Farbeindruckes einer aus zwei Spektralbereichen des Meßgegenstandes erhaltenen Mischfarbe an die vorgegebene Mischfarbe eines Vergleichsstrahlers bestimmt wird und

b) Verhältnispyrometer, mit denen die Temperatur aus dem Verhältnis der Strahldichten in mindestens zwei verschiedenen Spektralbereichen des Meßgegenstandes bestimmt wird.

Die erwähnten Pyrometertypen unterscheiden sich in ihrer Meßgenauigkei* recht erheblich. Mit den subjektiven Meßgeräten, bei denen der lichtempfindliche Empfänger das menschliche Auge ist, können naturgemäß bei verschiedenen Beobachtern kaum reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden. Genauer arbeiten die aufwendigeren, mit photoelektrischen Empfängern ausgerüsteten sogenannten objektiven Pyrometer. Nur diese Geräte können auch mit einer Registriereinrichtung versehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein photographisches Verfahren zu entwickeln, das in einfacher Weise die Bestimmung und Registrierung von Färb- und wahren Temperaturen blühender Körper gestattet

Es wurde nun ein Verfahren zur Fa.'btemperatur- und Temperaturmessung glühender Körper gefunden, wonach ein photographisches Material, dessen Schwärzungskurve, wie in F i g. 1 sc.iematisch dargestellt, sich aus einem positiv-n und einem negativen Ast unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit mit einer dazwischenliegenden Einsattelung zusammensetzt, mit der von dem Meßobjekt ausgehenden Strahlung hinter einem Stufen- oder Verlaufsgraukeil belichtet, photographisch entwickelt und sensitometrisch ausgewertet wird, wobei die Färb- bzw wahre Temperatur des Temperaturstiahlers mittels einer empirischen oder berechneten Eichkurve aus der Breite der Einsattelung bestimmt wird. Um eine l· msattelung zu erhalten, muß notwendigerweise innerhalb des interessierenden Strahlungsmeßbereichs der positive Ast bei höherer Empfindlichkeit liegen als der negative Ast. wobei die beiden Äste jedoch unterschiedliche spektrale Empfind lichkeit besitzen müssen.

Die unterschiedliche spektrale Fmpfmdlichkeit des positiven und negativen Astes der Schwäfzungskurve hat zur Folge, daß Änderungen in der spektralen Zusammensetzung des auf das photographische Material auffallenden Lichtes Verschiebungen der beiden Äste relativ zueinander hervorrufen. Dieser Umstand gestattet nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Messung von Färb- und wahren Temperaturen glühender Körper, da die spektrale Zusammensetzung der

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Αι, λι

A3, A< =

£"i(A)

Strahlung von schwarzen und grauen Körpern eine eindeutige Funktion der Strahlertemperatur ist. Jeder Temperatur entspricht daher eine bestimmte Breite Δ log / (für t = konstant) der Einsattelung zwischen dem positiven und dem negativen Ast, gemessen bei jeweils einer Dichte.

Die Abhängigkeit der Breite Δ log I von der Temperatur des schwarzen Strahlers wird in Form einer empirisch bestimmten oder berechneten Eichkurve wiedergegeben. Für die empirische Bestimmung der Eichkurve wird das photographische Material mit Strahlern unterschiedlicher bekannter Temperatur belichtet. Man erhält dann für die verschiedenen Lichtquellen eine jeweils bestimmte Breite der Einsattelung, aus der die Eichkurve ermittelt werden kann.

Die Berechnung der Eichkurve für ein bestimmtes photographisches Material ist auf folgendem Wege möglich:

Quantitativ lautet der Zusammenhang zwischen der
Größe (41og-/>„conn. und der Temperatur eines 20 worin bedeuten: schwärzen StTH-hisrs wis FoI⁰^i

W[X)

untere und obere Grenze des spektralen Empfindlichkeitsbereiches ^für den positiven Ast;

untere und obere Grenze des spektralen Empfindlichkeitsbereiches für den negativen Ast;

relative spektrale Empfindlichkeit des positiven Astes bei der gewählten Dichte;

relative spektrale Empfindlichkeit des negativen Astes bei der gewählten Dichte;

relative spektrale Strahldichte, gegeben durch die Plancksche Formel:

WU) = C₁). ⁵[exp.(C₂//.T)- 1]

j E₁ U)W U) d λ J E₁U)WU)U).

C₁, C2 = Konstanten

A = Wellenlänge

T = Temperatur in ⁰K

Eine Erweiterung obiger Beziehung auf nichtschwarze- bzw. nichtgraue Körper erfolgt lediglich durch Multiplikation der Integranden mit dem für den betreffenden Körper charakteristischen Emissionsvermögen ε(Α). Für schwarze Strahler ist ε(λ) = 1, für graue Strahler ist ε(Α)< 1 aber konstant, d. h. unabhängig von der Wellenlänge.

Allgemein gilt also

j ,U)E₁[A) ⁵[exp(C_2/;.T)- 1] '^ld).

-Z)₀ ,„„..,.= log ',

J ,U)E₁U)). ⁵[exp(C₂,;.D- 1] ^Λ di.

Die Integration, die numerisch oder graphisch ausgeführt werden kann, liefert in Abhängigkeit von der Temperatur die Empfindlichkeitsdifferenzen Δ log · / zwischen positivem und negativem Ast der Schwärzungskurve bei der gewäh/'en Dichte.

Δ log /graphisch aufgetragen gegen Γ ergibt somit die für das photographischc Material charakteristische Temperatureichkurve, aus der für jeden gemessenen Δ log · /-Wert die entsprechende Temperatur abgelesen werden kann.

Für den Fall, daß das photographische Material von einem Temperaturstrahler belichtet wird, dessen Emissionsvermögen e(A) unbekannt ist, erhält man allerdings nicht die wahre Temperatur der Lichtquelie sondern die Farbtemperatur. Letztere ist definitionsgemäß diejenige wahre Temperatur, die ein schwarzer Körper besitzt, Wenn er die gleiche Farbe, oder genauer, das gleiche Helligkeitsverhältnis bei allen Wellenlängen des sichtbaren Lichtes aufweist wie die gemessene Strahlung. Streng ist diese Forderung in pfaxi bei keiner Lichtquelle zu erfüllen. Man beschränkt sich daher im allgemeinen auf den Vei gVich des Intensitätsverhältnisses bei mindestens zwei Wellenlängen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Intensitätsverhältnis innerhalb der beiden unterschiedlichen Sensibilisierungsbereiche von positivem und negativem Ast »umgesetzt« in diejenige Empfindlichkeitsdifferenz, die ein schwarzer Strahler bei der aus der Eichkurve ablesbaren Temperatur hervorrufen würde. Diese Temperatur entspricht aber genau der erweiter ten Definition der Farbteniperatur. 7ür das Prinzip des Verfahrens ist es dabei von untergeordneter Bedeutung, für weiche Wellerilängonbereiche die spektralen Sensibilisierungen gewählt werden, solange diese Bereiche sich nicht völlig überdecken. Allerdings führen unterschiedliche Kombinationen von SeniiiHlisierungsbereichen auch zu unter-

Mi schiedlichen log /-T-Eichkürven, so daß eine Optimalisierung eines solchen phötögräphischen Verfahrens für bestimmte Temperaturmeßbereiche möglich isi. So wird man zweckmäßigerweise für relativ niedrige Temperaturen mindestens einen Sensibilisierungsbereich in das ultrarote oder rote Spektralgebiet, für relativ hohe Temperaturen mindestens einen Sensibilisierungsbereich in das ultraviolette oderblaue Spektralgebiet legen. Andererseits kann bei einer gegebenen Kombination

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der Sensibilisierungsgebiete der Temperaturmeßbereich erweitert werden, in dem das Aüfnähmemäterial durch geeignete, im Handel befindliche Filter (Mired-Filter) belichtet wird.

Zur praktischen Durchführung des Verfahrens ist es lediglich erforderlich, das photographische Material mit einem nur von dem zu messenden Objekt ausgehenden und z, B. durch eine Blende abgegrenzten Strahlenbündel zu belichten. Der Belichtungsspielraum ist dabei so groß zu wählen, daß nach einer unter konstanten Bedingungen — wie Zeit, Temperatur, Bewegung — durchgeführten Entwicklung der Verlauf von positivem und negativem Schwärzungskurvenast gemessen werden kann. Diese in der photographischen Technik häufig gestellte Aufgabe wird zweckmäßigerweise dadurch gelöst, daß das Aufniihmematerial hinter einem Stufenoder Verlaufgraukeil belichtet wird.

Hip Rplirhtiinff kann sowohl ohne optisches Abbildungssystem als auch ohne Spektralfilter erfolgen.

Um Schwarzschildeffekte auszuschließen, empfiehlt es sich, sämtliche Belichtungen mit konstanter Belichtungszeit auszuführen. Dagegen kann durch Neutralgraufilter und/oder geeignete Blendenwahl das Intensitätsintervall erweitert werden.

Die Auswertung des entwickelten Aufnahmematerials kann mit großer Genauigkeit mit Hilfe eines Densitometers erfolgen. Aus dem Schwärzungskurvenverlauf ist die Empfindlichkeitsdifferenz bei der für die Eichkurve gültigen Dichte direkt als Strecke bzw. als Breite eines transparenten Bereiches ablesbar. Der zugehörige Temperatur- bzw. Farbtemperaturwert kann dann der Eichkurve entnommen werden. Auch eine rein visuelle Auswertung ist möglich, wozu zweckmäßigerweise ein Stufenkeil mit möglichst kleinen Dichtesprüngen (z. B. f 2-KeiI mit Dichtesprüngen von 0,05 logarithmischen Einheiten) benutzt wird. Auf diese Weise wird die Zahl der Dichtestufen erhöht und die für die Eichkurve gültige Dichte ist durch visuellen Vergleich mit einer Probe derselben Dichte einfach und bekanntlich recht genau zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße photographische Verfahren gestattet also, in einfacher weise Temperaturen bzw. Farbtemperaturen von Temperaturstrahlern zu registrieren und zu messen. Im Falle der Densitometerauswertung handelt es sich um eine objektive Meßmethode hoher Genauigkeit die eine Anpassung von Helligkeitseindrücken oder einen Farbangleich durch den Messenden hinfällig macht Das photographische Aufnahmematerial übt gleichzeitig die Funktion von Spektralfiltern und Strahlungsempfänger aus. Das Verfahren kann durch geeignete Wahl der Sensibilisatoren für die gewünschten Temperaturmeßbereiche in weiten Grenzen optimalisiert werden. Vorzugsweise kann für das erfindungsgemäße Verfahren ein in der deutschen Offenlegungsschrift 15 97 509 beschriebenes photographisches Material benutzt werden. Derartige Materialien enthalten in überwiegender Menge bis zu etwa 99 Gew.-% eine Silberchlorid- und in geringerer Menge bis zu etwa 25 Gew.-% eine Silberbromidemulsion unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit in einer Mischung oder in getrennten Schichten enthalten. Die absolute Empfindlichkeit der Silberchloridemulsion soll nur wenig geringer sein als die der Silberbromidemulsion. Als besonders geeignet haben sich die Empfindlichkeitsverhältnisse der Silberchlorid- zur Silberbromidemulsion gegenüber weißem Licht von 1:10 bis 9 :10 erwiesen. Bevorzugt werden Emulsionen verwendet die Entwicklungskeime enthalten, wie sie üblicherweise — z, B. bei Bildempfangsschichten for das Silberdiffusionsverfahren — verwendet werden. Geeignet sind beispielsweise fein verteilte Metalle, insbesondere Silber oder deren Sulfite und/odfct Selenide. Nach der Belichtung wird nach dem Prinzip des Bromionendiffusionsverfahrens mit einem Kaüümbromid-freien Entwickler gearbeitet. Einzelheiten über dieses Material sind aus der genannten deutschen Offenlegungsschrift zu entnehmen,

Die Entwickler haben die für das Bromionendiffusionsverfahren übliche Zusammensetzung. Als Entwicklersubstanz sind z. B. geeignet:

Hydrochinon, Entwickler der Aminophenol·Reihe, z. B. p-Methylaminophenol, p-Phenyiendiaminderivate, Entwickler der Pyrazolidon-Reihe. z. B. l-Phenylpyrazolidon-3 und andere alleine oder auch in Kombinationen. Der Kaliumbromidgehalt soll 50 mg pro Liter nicht überschreiten.

Als Silberhalogenidlösungsmittel ist z. B. Natriumsulfit in Konzentrationen von etwa I bis 150 g pro Liter Entwickler geeignet.

Falls die Entwicklersubstanz oder andere Zusätze selbst als Silberhalogenidlösungsmittel zu wirken vermögen, wie im Falle von p-Phenylendiamin oder dessen Derivaten, kann evtl. auf den Zusatz von Silberhilogenidlösungsmitteln verzichtet werden.

Die En'wickler enthalten ferner die üblichen Zusätze an Kalkschutzmitteln, Oxydationsschutzmitteln, alkalisch machenden Substanzen usw. Der pH-Wert des Entwicklers liegt zwischen ca. 85 und 12,5.

Die Wirkungsweise der in der erfindungsgemäßen Weise zu verwendenden photographischen Materialien ist aus der anliegenden F i g. 1 ersichtlich. Es handelt sich um ein übliches Schwärzungs-Diagramm, wobei die Belichtung /· f logarithmisch als Abszisse gegenüber der Dichte als Abszisse gegenüber der Dichte als Ordinate aufgetragen ist. Das Schwärzungsdiagramm ist von üblichen dadurch unterschieden, daß es mehrere Schwärzungskurven enthält Die Kurve 1 ist die Schwärzungskurve, die durch physikalische Entwicklung der Silberchloridemulsion an den unbelichteten Steilen emsieht. An den beiichici.cn Stellen, wu ίίάό vorhandene Silberbromid entwickelt wird und eine sehr geringe Dichte durch Entwicklung der in geringer Menge vorhandenen Silberbromidemulsion entsteht (siehe Kurve 2), wird die Entwickelbarkeit der unbelichteten Chlorsilberemulsion durch die entstandenen Bromionen verhindert Man erhält daher in diesem Belichtungsbereich nur die geringe Dichte der Silberbromidemulsionen. Bei höherer Belichtungsinteⁿsität setzt die chemische Entwicklung der Silberchloridemulsion ein. Man erhält die Schwärzungskurve, die in dem Diagramm mit 3 bezeichnet ist

Die Gesamtschwärzungskurve des photographischen Materials besteht also aus einem positiven und einem negativen Ast und einer dazwischenliegenden Einsattelung.

Die beiden Siiberhalogenidemulsionen müssen verschiedene spektrale Empfindlichkeit besitzen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Silberchloridemulsionen verwendet die zusätzlich im grünen und/oder roten Bereich des sichtbaren Spektrums spektral sensibilisiert sind. Es handelt sich dabei um eine ortho- und/oder panchromatische Sensibilisierung. Die Si!berch!oridemu!sior. soll gegenüber Licht mit Wellenlängen von etwa über 500 πιμ empfindlicher sein, als die Silberbromidemulsion. Die Silberbromidemulsion ist im wesentlichen blauempfindlich.

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Beispiel Eine kontrastreiche Silbefchloridemulsion, die mit einem Sensibilisator der folgenden Formel:

C₂H₅ —Sul

fur den grünen Spektralbereich sensibilisiert wurde, wird im Verhältnis 20:1 mit einer unsensibilisierten, vorwiegend für den blauen Spektralbereich empfindlichen Sübefbrornideiiiuision gemischt Beide Emulsionen wurden nach bekannten Verfahren hergestellt Zu einem Liter dieser Mischung werden 0,12 g kolloidales Silberselenid zugegeben.

Die Empfindlichkeit für weißes Licht einer Wolfram-Glühlampe von 275O⁰K der sensibilisierten Silberchloridemulsion beträgt >/io der Empfindlichkeit der Silberbromidemulsion. Das Emulsionsgemisch wird auf eine Unterlage (Auftrag ca. 4 g Silber pro m^J) aus Polyäthylenterephthalat vergossen.

Anschließend wird mit der zu messenden Strahlungsquelle durch einen grauen Verlaufkeil mit einem Dichieunterschied von 0,2/cm belichtet und in dem folgenden Entwickler bei 20° C entwickelt:

Wasser
Hydrochinon

1 Liter
9g

Äthyiendiamintetraessigsäure 1 g

l-Phenyl-pyrazolidon-3 0,5 g

Natriumsulfit sicc. 120 g

Soda 60 g

Natriumhydroxid 2 g

Anschließend wird in 2%iger Essigsäure gestoppt, fixiert, gewässert Und getrocknet
Der Abstand des positiven vom negativen Ast der Schwärzungskurve beträgt in diesem Falle bei der für die Eichkurve gemäß Fig.2 gültigen Dichte von 2,0 5 cm. Aus der Eichkurve wird die Temperatur der gemessenen Strahlungskurve abgelesen. Sie beträgt im vorliegenden Falle 2700⁰K.

In der Fig.2 stellt die Ordinate die Breite der Einsattelung zwischen dem negativen und dem positiven Ast der Schwärzüngskurve bei der Dichte D — 2,0 in »cm« dar. Auf der Abszissenachse ist die Temperatur in ° K aufgetragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

21 Ol 686 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Farbtemperatur- und Temperaturmessung glühender Körper, dadurch gekennzeichnet, daß ein photographisches Material, dessen. Schwärzungskurve sich aus einem positiven und einem negativen Ast unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit mit einer dazwischenliegenden Einsattelung zusammensetzt, mit der von dem zu messenden Objekt ausgehenden Strahlung hinter einem Stufen- oder Verlaufgraukeil belichtet, photographisch entwickelt und sensitometrisch ausgewertet wird, wobei die Färb- bzw. wahre Temperatur des Temperaturstrahlers mittels einer empirisch bestimmten oder berechneten Eichkurve aus der Breite der Einsattelung erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein photographisches Material, das mindestens 1 Silberhalogenidemulsionen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit in einer Schicht gemischt oder in benachbarten getrennten Schichten angeordnet enthält, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein photographisches Material mit mindestens einer Silberhalogenidemulsionsschicht, dessen Silberhalogenid bis zu 99 Gew.-% eine relativ hochempfindliche Silberchloridemulsion und bis zu 25 Gew.-% eine relativ unempfindliche Silberbromidemulsion, die für weißes Licht etwas empfindlicher ist als d^;e Silberchloridemulsion, enthält und wobei die Emulsionen verschiedene spektrale Empfindlichkeit besitzen, mit der von dem zu messenden Objekt ausgehenden Strahlung belichtet, mit einem bromidionenfreien u.id silberchloridlösungsmittelreichen Entwickler entwickelt wird.