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3andstrahlungs-Bolometer Zur Temperaturmessung sind neben Kontaktthermometern
Strahlungsmeßgeräte, nämlich Spektralpyrometer sowie Gesamt- und Bandstrahlungspyrometer
bekannt. Während bei Spektralpyrometern, z.B. Farh- oder Fadenpyrometern, die Temperatur
durch Farbenvergleich ermittelt wird, wird bei Gesamt- und Bandstrahlungspyrometern
die Strahlung in eine elektrische Größe z.B. mit Hilfe von Fotoelementen, Fotowiderständen
oder temperaturempfindlichen Widerständen umgewandelt.
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Zur Gruppe der 3andstrahlungspyrometer gehört das Bolometer, das Gegenstand
vorliegender Anmeldung ist.
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Die Wirkungsweise des Bolometers beruht auf der Absorption der Strahlung
durch einen elektrischen Leiter, dessen Widerstandsänderung infolge der durch die
Strahlungsabsorption auftretenden Erwärmung mittels einer Wheatstone-Brdcke gemessen
wird. Während zunächst in der Praxis als temperaturempfindliche Widerstände zwei
mögliöhst gleiche geschwärzte Platin@treifen in benachbarten Zweigen der Brückenscbaltung
angeordnet waren, +on denen nur der eine der Strahlung ausgesetzt wird, werden heute
anstelle der Platinfolien dllnne Ralbleiterschichten verwendet, Die an der einen
Brückendiagonale
auftretende Spannung wird verstärkt und mittels
eines Instrumentes zur Temperaturbestimmung angezeigt.
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Die zu messende Strahlung wird mittels 3lenden, Linsen oder Hohlspiegel
auf den Strahlungsempfänger, im vorliegenden Fall auf den temperaturempfindlichen
Widerstand konzentriert, während der zweite gleichartige, in dem enderen Brückenzweig
gelegene temperaturempfdnnliche Widerstand der Strahlung nicht ausgesetzt wird.
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Zum Messen von Infrarotstrahlungen eingnen sich vor allem Hohlspiegelpyrometer,
da Hohlspiegel praktisch sämtliche Wellenlängen auf den Empfänger konzentrieren.
So geht aucb die Erfindung von einem Bandstrahlungsbolometer aus das einen Hohlspiegel
besitzt, in dessen Brennpunkt der temperaturempfindliche Widerstand angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach
aufgebautes Bandstrahlungsbolometer der ein gangs erläuterten Art zu schaffen, daß
eine exakte Temperaturmessung im Bereich von 50 - 400°C ermöglicht.
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Derartige berührungslos arbeitende Strahlungsmeßgeräte werden-z.3.
zur Temperaturmessung von Kunststoff-, Guumi-, Papier- und Textilbahnen auf Kalanderwalzen
benötigt. Zur Lösung dieser Meßaufgabe wurden bisher auf einer Differenzstrahlungsmessung
beruhende Anordnungen verwendet, bei welchen neben dem Hohlspiegel und der temperaturempfindlichen
Element ein Vergleichsstrahler und ein Schwingmodulator vorgesehen sind. B@@ diesem
Gerät wird die Objektstrahlung von dem verspiegelten Schwingmodulator periodisch
unterbrochen wobei bei leder Unterbreohung dem temperaturempfindlichen Widerstand
die Strahlung des Referenzstrahlers unter dem gleichen Meßwinkel zugeführt wird.
Hierdurch entsteht an dem
Widerstand eine Wechselspannung, deren
Größe von der Differenz der beiden Strahlungen bestimmt wird. Diese derart erzeugte
Wechselspannung wird verstärkt und dann zur Temperaturbestimmung zur Anzeige gebracht.
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Im Gegensatz zu dieser recht komplizierten Schaltungsanordnung greift
die erfindungsgemäße Lösung auf die sowohl mechanisch als auch elektrisch wesentlich
einfacher aufgehaute Brückenanordnung zurück. Damit berartigen vergleichsweise sehr
einfachen Anordnung in einem Gesamtmeßbereich von 50 bis 400°C die Meßgenauigkeit
kleiner als t 100 ist, muß dafür gesorgt werden, daß bei beiden temperaturempfindlichen
Widerständen der Einfluß der IIeitungs- und ggf. Konvektionswärne gleich ist, währund
nur der eine im Brennpunkt des Hohlspiegels angeordnete Widerstand dem Einfluß der
Infrarotstrahlung ausgesetzt ist.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
die beiden temperaturempfindlichen Widerstände dicht nebeneinander jeweils in einer
Kammer eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind, wobei die eine Kammer auf. der
dem Hohlspiegel zugewandten Seite offen ist, während die zweite Kammer allseits
geschlossen ist und zwischen beiden Kammern eine nach außen reflektierende Trennwand
vorgesehen ist.
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Diese räumliche Anordnung der beiden gleichartigen wärwe empfindlichen
Widerstände, der sogensnnten Detektoren , bewirkt, daß diese abgesehen vom Einfluß
der Infraotstrahlung gleichen Bedingungen, d.h. der gleichen Konvektionswärme, der
gleichen Umgebungstemperatur und der gleichen durch den Brückenstrom erzeugten Joulschen
Wärme ausgesetzt sind. Trotz des sehr einfachen und damit preisgünstiger Aufbaues
gewährleistet dlese Anordnung eien
hohe Stabilität und damit eine
exakte Messung bei Umgebungstemperaturen im Bereich von 10 bis 50° C.
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Zweckmäßigerweise besteht das becherartig ausgebildte Gehäuse der
Detektoren aus Aluminium, wobei die Außenwand gegenüber der Trennwand zwischen den
Detektoren relativ stark ist, Hierdurch wird eine gleichmäßige Beeinflussung der
beiden Detektoren durch die Umgebungstemperatur gewährleistet.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind als temperaturempfindliche
Widerstände ein Paar gleichartiger, zu dünnen Plättchen gerschliffener NTC-Widerstände
vorgesehen. Infolge der geringen Stärke der aus Halbleitermaterial bestehenden Widerstände
wird eine relativ geringe Trägheit des Meßsystems erreicht. Auch genügt zur Messung
schon eine geringe Strahlungsenergie, wie sie im Infrarntstrahlungsbereich zur Verfügung
steht. Im Gegen satz zu Fotowiderständen und Fotozellen, die an sich eine höhere,
jedoch selektive Empfindlichkeit insbesondere im Bereich des sichtbaren Lichtes
besitzen, sind thermische Empfänger insbesondere im Temperaturbereion von 50 bis
200° C breitbandiger bei linearer Kennlinie.
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Der Absorptionsgrad des der Strahlung ausgesetzten temperaturempfindlichen
Widerstandes kann außerdem dadurch erhöht werden, daB er wenigstens auf seiner der
Strahlung ausgesetzten Seite mit einer optisch geschlossenen, vorzugsweise aufgesprühten
Absorptionsschicht, die vorzugsweise aus einem Schwärzungsmittel besteht, versehen
wird. Außerdem kann eine derartige Schicht die Wirkung eines Filters zur Erzielung
einer gewünschten Selektivität haben, so daß in diesem Fall kostspislige Pilter
entfallen.
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Zur Ertöhung dér Strahlungsabsorption können instesondere metailisehe
Empfangsflächen des Detekt@rs mit Schlchten folgenlev Zusammensetzung überzogen
werdnn; Bis 8 µ Terpentinruß bis 9 µ Gemisch aus Ruß und Plationachwarz 95-97 %
bis 15 µ koloidaler Graphit bis 80 µ Gemisch aus Ruß unl Natronwasserglas.
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Zur Filtration können z. B. alle Harnitofflacke in Form von dünnen
Filmen für folgende Spektralbanden eingesetzt werderen: von 0,6µ bis 2 µ keine Abserption
bei 2,9 und 3,4 µ 80 - 90% Absorption von 4µ bis 5,5 µ keine Absorption von 5,5µ
bis 8 µ 90 - 95% Absorption von 8µ alluählicheß Abnehmen der Absorption Bei geeigneter
Wah-l der Filter- und Absorotionsschicht ist es möghlich, die Absorptionsbänder
von Wasserdampf und Kohlendioxyd durch Filtration zu löschen, @@ daß nur der stabile
spektrale Durchlaßberich zur Messung verwendet werden kann.
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Gegebenenfalls können zusätzllch zur Auswahl des gewä@schten Spektralbereiches
Filtergläser Verwendung finden. Auch dann das Fenster der zum Hohlspiegel offenen
Dstektorkammer mit einem geeigneten Filter versehen sein, welches außerdem die Heeinflussung
des temperaturempfindlichen Widerstandes durch Konvektionswärme verhindert, so daß
abgesehen von dewänsch.
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ten Einfluß der Strahä@ngswärmebeide Detektoren gleichen Einflüssen
ausgesetzt sind.
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infolge der sphärischen Aberration parallel einfallende Strahlen auf
einer auf der optischen Achse gelegenen Linie zum Schnitt bringt. Diese Eigenschaft
wird bei dem erfindungsgemäßen Bolometer zur Fokussierung des axial verschiebbar
angeordneten temperaturempfindflichen Widerstandes dadurch ausgenutzt, daß bei spiegelnahres
tellung des temperaturempfindlichen Widerstandes vorwiegend die Infrarotstrahlen
mit größerem Einfallswinkel erfaßt werden, während bei spiegelferner Einstellung
im stärkeren Maße die parellelen Infrarotstrahlen den Widerstand traffen. Außerdem
kann, wie ferner vorgeschlagen wird, hierbei ein temperaturempfindlicher Widerstand
Verwendung finden, der an seinen Randzonen eine geringere Absorption als im Kern
besitzt.
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Eine derartige Anerdnung ist insbesondere zur Messung difuser Strahlung
zweckmäßig, die häufig bei Nichtmetallen, insbesoadere bei Gummi, Papier und Textilien
auftritt.
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Die dffuse Strahlung besitst aufgrund unterschiedlicher struktueller
Oberfläche bestimmter Tiefe keine gleichmäßige Verteilung. Vielmehr treten entgegen
dem Lambert'schen Gesetz in bestimmten Raumwinkeln Verdichtungen, d.h. Raumwinkelintensitäten,
auf. Durch den veränderlichen Fokus kann hierbei das Raumwinkelmaximum eingestellt
werden. Dies beruht darauf, daß der Ahsorptionswert des temperarturempfindlichen
Widerstandes, nämlich des Detektorplättchens, an den Randzonen geringer ist als
im Kern.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die Fokussierung
dadurch ermöglicht daß das becherartige Gehäuse der temperaturempfindlichen Widerstände
mittals @ines E@zentertriebes gegenüber dem Meßkopfgebäuse längs der optischen @chse
des Hohlspiegels verschiebbar angeordnet ist
Zur Verstätrkung des
von der Erückenschaltung erzeugten Gleichspannungs- bzw Gleichstrommeßsignales wird
bei dem erfindungsgemäßen Bolometer ein an sich bekannter Operationsverstärker geringer
temperaturdrift verwendet. Dieser Verstärker ist in dem metallischem Meßkopfgehäuse
untergebracht, so daß er gegen Fremdeindflüsse, z.B. induktive oder statische elektrische
Feider, abgeschirmt ist. Zur weiteren Abschirmung kennen die räckwörtige Abschlulßplatte
sowie ein vor der Gehäuseöffnung angeordnetes Schutzgitter aus Metall bestehen und
mit dem Gehäuse in elektrisch leitender Verbindung stehen. Um untersdiedliche Eigenschaften
des Meßgutes, z.B. die verschiedenen Emissionswerte. schon bei der Messung zu berüchsichtigen,
ist es bekannt, den Verstärkungsgrad entsprechend den von Fall zu Fall zu ermittelnden
Eichkurven zu verändern. Diese Art der Einstellung der Emissionsrete stößt dann
auf Sohwierigkeiten, wenn der Emissionsregler räumlich getrennt vom Meßkopfgehäuse
z. 3. in einem Steuerpult angeordnet werden soll. So besteht in diesem Fall Gefahr
daß durch induktive oder statische Ankopplung über die Steuerleitung Störspannungen
induziert werden, so daß entweder daß Meßergebnis verfälscht oder der sorgfältig
abgewogene Operationsverstärker in einen' labilen Schwingungszustand gerät.
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Um diese Störquelle auszuschalten, wird nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung vorgeschlagen, nicht den Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers
zu ändern, sondern vielmehr die Brßckenspeisespannung bzw. den Brückenspeisestrom
mittels eines Potentiometers zur Berücksiohtfgung der untersch@edlichen Emission
des Meßobjektes zu verändern. Bei dieser Anordnung ist es, ohne weiteres möglich.
das, Potentiometer in einet gesonderten Steuerpult o Xeßkopfgehäuse räutnlicb entfernt
anzuordnen und diesen über ein normal abgeschirmtes, zweiadriges Kabel mit der Brückenschaltung
zu verbinden
Zur Kompensation von der zu messenden Strahlung überlagerten
Störstrahlungen ist der Nullpunkt des Verstärkers veränderbar. Beispielsweise kann
eine Verstärkerstufe des Operationsverstärkers in geeigneter Weise mit einem Abgleichwiderstand
versehen sein. Daneben ist es jedoch auch möglich, diesen Abgleich an der Brücke
selbst vorzunehmen, wenn nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung zwischen zwei
Brückenwiderständen, vorzugsweise den temperaturempfindlikchen Widerständen, ein
Potentiometer angeordnet ist, dessen Mittelabgriff mit einer Eingangs-Klemme des
Verstärkers verbunden ist, während die andere Eingangsklemme des Verstärkers mit
dem gegenüberliegenden Punkt der Brückendiagonale in Verbindung steht. Sollen hierbei
sich kurzzeitig ändernde Störeinflüsse kompensiert werden, wie sie z.B. von flackernden
Flammen o.dgl. herrühren, empfiehlt es sich in weiterte Ausbildung der Erfindung,
stärker dimensionierte NTC-Plättchen als temperaturempfindliche Widerstände zu benutzen.
Infolge ihrer größeren Trägbeit integrieren derartige Detektoren die sich zeitlich
ändernden Störstrahlungen. so daß auch bei einem derartigen Anwendungsfall der Störeinfluß
durch Nullpenktverschiebung des Verstärkers ausgeglichen worden kann.
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Schließlich kann auch die temperaturbedingte Änderung des Neigungswinkels
des Hohlspiegels zu Meßfehlern führen.
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Um diesen Meßfehler zu kompensieren, wird ferner vorgeschlagen@ am
Ende des Hohlspiegels einen weiteren temperaturempfindlichen Widerstand, vorzugsweise
einen NIC-Widerstand, anzuordnen, welcher den Operationsverstärker zum Ausgleich
dieses Meßfehlers steuert.
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Zur Justierung des Meßkopfes eignet sich in herkömmlicher Weise eine
Visiereinrichtung, die auf das Meßkopfgehäuse aufsetzbar ist. Anstelle dieser Visiereinrichtung
kann Jedoch in weiterer Ausbildung der Erfindung eine mit dem Meßkopfgehäuse verbindbare
Lichtquelle vorgesehen sein, welche einen mit dem Meßfleck deckungsgleichen Lichtfleck
erzeugt. Auf diese Weise läßt sich von jedem Betrachtungspunkt aus die Lage des
Meßfleckes beurteilen.
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Instgesamt führen die anmeldungsgemäß vorgeschlagenen Merkmale und
Merkmalskombinationen zu folgenden Vorteilen: 1. Durch die räumliche Anordnung der
temperaturempfindlichen Widerstände, der Detektoren, wird bei geringem Aufwand für
einen großen Temperaturbereich eine sehr winksame Temperaturkompensation erzielt.
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2. Als Detektormaterial ist gesintertes Halbleiter-Material verwendbar,
das infolge seiner Zusammensetzung und seines Herstellungsverfahrens eine außerordentlich
hohe Zeitkonstante von wenigstens drei Jahren besitzt.
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3. Anstelle teurer Filter können auf die Detektoroberfläche dünne,
preiswerte Absorptionsschichten aufgetragen werden, welche der Neßanordnung je nach
Anwendungsbedingungen eine gewünschte Bandbreite geben.
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4. Durch Ausnutzung der sphärischen Aberration ist es möglich, den
verschiebbar angeordneten Detktor weitgehend den Strahlungseigenschaften des Meßobjektes
an zupassen.
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5. Die einfache Meßanordnung kann in einem kleinen, kompakten Meßkopf
untergebracht werden, der einfach zu montieren ist, eine hohe Erschütterungsfestigkeit
besitzt und nur geringe Angriffsflächen für Umgebungseinflüsse, z.B. die Umgebungstemperatur,
Fremdfelder u. dgl. bietet.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles, das in den Zeichnungen dargestellt ist, im einzelnen erläutert.
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In diesen zeigen: Figur 1 : Axialschnitt des Messkopfes eines erfindungsgemäßen
Bolometers und Figur 2 : Boclkschaltbild der Schaltungsanordnung für das erfindungsgemäße
Bolometer.
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Der Messkopf weist ein zylindrisches, vorzugsweise aus Aluminiumrohr
bestehendes Gehäuse 1 auf, in welchem im wesentlichen der thermische Detektor 2,
der Hohlspiegel 3, die Leiterplatte 4, für die elektrischen Bauteile, insbesondere
den Operationsverstärker und die Anschlußplatte 5 mit den elektrischen Anschlußbuchsen
5a für das externe Messgerät und das Stromversorgungsgerät angeordnet sind. Damit
ist der Messkopf durch die Leiterplatte 4 bzw. den sphärischen Hohlspiegel 5 in
einen Strahlungsteil echter Teil gemäß Figur 1) und in einen Schaltungsteil (linker
Teil gemaß figur 1) unterteilt.
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Nach außen ist der Strahlungstell mittels eines Konvektionsschildes
6 verschlossen, das aus einem Abschlußring 6a, einer über diesen gespannten und
mit einem r)resssing 6b gehaltenen Folie 6c sowie einem Schutzgitter 6d besteht.
Dieser Konvektionsschild verhindert einerseits das Eindringen von Staub tind andererseits
die Bildung von
von Luftströmungen im Bereich des thermischen Detektors
2, welche das Nessergebnis entscheidend verfälschen können.
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Der thermische Detektor 2 besteht aus einem becherartigen, dickwandigem
Gehäuse 2a, das mittelß einer dünnen Trennwand 2b in zwei Kammern 2c und 2d unterteilt
ist.
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Die dem Hohlspiegel 3 zugewandte K@ Kammer weist eine trichterförmige
Einfallsöffnung 2e auf, welche das Einfallen der in den Messkopf eintretenden und
am Hohlspiegel 3 reflektierten Infrarotstrahlen I.R. ermöglicht. In den Kammern
2c und 2d sind auf der optischen Achse A-A des Hohlspiegels 3 gelegene NTC-Widerstände
7 und 8 angeordnet. In aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise sind diese Widerstände
7 und 8 aus den bekannten Perlen zu dünnen Plättchen mit parallel zueinander und
senkrecht zur optischen Achse A verlaufenden Plättchen geschliffen.
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Der NTC-Widerstand 7 kann eine aufgesprühte oder 9n an derer Weise
dünn aufgetragene Absorptionsschicht aufweisen, welche einerseits die Absorptionsfähi,gkeit
seiner Oberfläche erhöht und andererseits als Filter zur Beschränkung des Frequenzbereiches
dienen kann. Die Trennwand 2b, die auf der dem Widerstand 7 zugekehrten Seite poliert
oder verspiegeltist, verhindert, daß die Infrarotstrahlen zum Widerstand 8 gelangen,.
Somit erwärmt sich der NTC-Widerstand ausschließlich durch Leitungs- und Stromwärme,
während der NTC-Widerstand 7 zusätzlich durch Strahlungswärme erwärmt wird. Der
Konvektionsschild 6 sorgt dafür, daß der Anteil der Konvektionswärme vernachlässigbar
gering bleibt
Das Detektergehäuse wird mittels einer Tragplatte
2f von Stützen 2g getragen. Durch die aus Lsoliermaterial bestehends Tragplatte
2f werden die elektrischen Anschlüsse der NTC-Widerstände 7 und 8 hindurchgeführt
Die Stützen 2g sind mit einem Schlitten a verbunden, der mittels eines Exzenters
9b in Axialrichtung verschiebbar ist, wobei er gegenüber dem Gehäuse 1 mittels einer
Führungsechraube 9c geführt wird.
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Zur Festlegung des Hohlspiegels 3, der Lsiterpiatte 4 und der Anschlußlatte
5 sind im lin-ken Teil -des Gehäuses 1 zwischen diesen Distanzringe 10 und 1t eingesetzt,
wobei dev äußere, als Gewindering ausgebildete Abschlußring 12 sämtliche Teile gegeneinander,
den Spiegel mit- einer planen Ringfläche gegen einen Bund la und die Apschlußplatte
gegn einen weiteren Bund 1b des Gehäuses 1 drächt Zwiechen das Leiterplatte 4 und
der Anschlußplatte 5 ist achließlinh noch ein Potentiometer 13 angeordnet, mit welchem
der Brückenstram für dic anhand von Figur 2 noch im einzelnen erläuterte Schaltung
verändert werden kann. Auf die aus dem Gebänse 1 hersusragende Potentiometerachse
15a ist ein Stellknepf 13 kraftschlüssig sufgesetzt, mit welchem der Emissionsfaktor
des Messobjektes eingestellt werden kann Ihm ist eine -entsprechende, am Gehäuse
1 befestigts Skala 13c zugeordnet.
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Die Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Strshlungsbolometers
ist aus dem Dlockechaltbild gemäß Figur 2 .
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ersichtl@ch
Die NTC-Widerstände 7 und 8 des Detektors
2 sind in benachbarten Zweigen einer Wbeatstone-Hrücke angeordnet. In den beiden
anderen einander benschbarten Brückenzweigen liegen in bekannter Weise zwei einander
gleiche ohm'sche Widerstände 14 und 15.
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Zwischen den beiden NTC-Widerständen ? und 8 liegt ein Potentiometer
16, dessen Mittenabgriff mit der einen Eingangsklemme des Operationsverstärkers
verbunden ist. Die andere Eingangsklemme des Operationsverstärkers ist mit dem anderen
Punkt der Brückendiagonalen nämlich dem knotenpunkt zwischen den Widerständen 14
und 15, verbunden.
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Die Brückenschaltung wird aus einer stabilisierten Gleichspannungsquelle,
dem sogenannten Stahilisator, gepeist, wobei die Stromeinspeisung in die andere
Brückendiagonals erfolgt. Der Speisestrom ist mit dem Widerstand 13, dem sogenannten
Emissionsregler, einstellbar, wodurch der unterschiedliche Emissionsgrad des Nessobektes
berücksichtigt werden kann.
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Ist der NTC-Widerstand 7 ksiner Infrarotstrahlun ausgesetzt, so ist
die Brüokenschaltung abgeglichen, so daß am Eingang des Operationsverstärkers keine
Spannung liegt. Wegen der Brückenanordnung wirkt sich eine gleichzeitige Erwärmung
der NTC-Widerstände 7 und 8 nicht auf das Messergebnis aus.
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Wird dagegen der NTC-Widerstand 7 einer Infrarotstrahlung I.R. ausgesetzt,
so liegt am Operationsverstärkereingang eine Gleich-spannung, die nach Verstärken
über den Impedanzwandler
dem Messausgang 18 zugeführt wird.
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Au den Ausgang 18 kann ein Analog- oder Digitalmessinstrument, ein
Schreiber oder dgl. Gerät angeschlossen werden. Auch kann die derart erzeugte Messgräße
gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung su Steuerzwesken ausgenutzt werden