DE2152372B2

DE2152372B2 - Teilstrahlungsbolometer

Info

Publication number: DE2152372B2
Application number: DE2152372A
Authority: DE
Inventors: Hans 7820 Titisee-Neustadt Bauer
Original assignee: Atmos Fritzsching & Co Zweigniederlassung Lenzkirch Im Schwarzwald 7825 Lenzkirch GmbH
Current assignee: Atmos Fritzsching & Co Zweigniederlassung Lenzkirch Im Schwarzwald 7825 Lenzkirch GmbH
Priority date: 1971-10-21
Filing date: 1971-10-21
Publication date: 1975-09-04
Also published as: DE2152372C3; DE2152372A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Teilstrahlungsbolometer, bestehend aus einem Hohlspiegel, in dessen Brennpunkt ein temperaturempfindlicher Widerstand, insbesondere ein Halbleiter, angeordnet ist, sowie aus einem zweiten gleichartigen, der Strahlung nicht aus- ⁶S gesetzten temperaturempfindlichen Widerstand, wobei die beiden temperaturempfindlichen Widerstände in benachbarten Zweigen einer Brückenschaltung angeordnet sind, und die an der Brückendiagonalen auftretende Spannung verstärkt und mittels eines Instruments zur Temperaturbestimmung angezeigt wird.

Derartige berührungslos arbeitende Strahlungsmeßgeräte werden z, B. zur Temperaturmessung von Kunststoff-, Gummi-, Papier- und Textilbahnen auf Kalanderwalzen benötigt.

Zur Temperaturmessung sind neben Kontaktthermometern Strahlungsmeßgeräte, nämlich Spektralpyrometer sowie Gesamt- und Teilstrahlungspyrometer bekannt Während bei Spektralpyrometern,z.B.Farboder Fadenpyrometern, die Temperatur durch Farbenvergleich ermittelt wird, wird bei Gesamt- und Teilstrahlungspyrometern die Strahlung in eine elektrische Größe z. B. mit Hilfe von Fotoelementen, Fotowiderständen oder temperaturempfindlichen Widerständen umgewandelt.

Zur Gruppe der Teilstrahlungspyrometer gehört das Bolometer, das Gegenstand der vorliegenden Anmelduiig ist.

Die Wirkungsweise des Bolometers beruht auf der Absorption der Strahlung durch einen elektrischen Leiter, dessen Widerstandsänderung in Folge der durch die Strahlungsabsorption auftretenden Erwärmung mittels einer Wheatstone-Brücke gemessen wird. Während zunächst in der Praxis als temperaturempfindliche Widerstände zwei möglichst gleiche geschwärzte Platinstreifen in benachbarten Zweigen der Brückenschaltung angeordnet waren, von denen nur der eine der Strahlung ausgesetzt wird, werden heute an Stelle der Platinfolien dünne Halbleiterschichten verwendet. Die an der einen Brückendiagonalen auftretende Spannung wird verstärkt und mittels eines Instruments zur Temperaturbestimmung angezeigt.

Die zu messende Strahlung wird mittels Blenden, Linsen oder Hohlspiegel auf den Strahlungsempfänger, im vorliegenden Fall auf den temperaturempfindlichen Widerstand, konzentriert, während der zweite gleichartige, in dem anderen Brückenzweig gelegene temperaturempfindliche Widerstand der Strahlung nicht ausgesetzt wird.

Zum Messen von Infrarotstrahlungen eignen sich vor allem Hohlspiegelpyrometer, da Hohlspiegel praktisch sämtliche Wellenlängen auf den Empfänger konzenti ieren. So geht auch die Erfindung von einem Teilstrahlungsbolometer aus, das einen Hohlspiegel besitzt, in dessen Brennpunkt der temperaturempfindliche Widerstand angeordnet ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 54 378 ist bereits ein Teilstrahlungsbolometer der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Anzeigeempfindlichkeit und Langzeitkonstanz zu wünschen übrig läßt. Insbesondere ist es nicht möglich, die Trägheit der Meßanordnung genau abzustimmen.

Durch die Erfindung soll dieses Teilstrahlungsbolometer so verbessert werden, daß die Anzeigeempfindlichkeit und die Langzeitkonstanz der Anordnung wesentlich verbessert und die Trägheit mit einfachen Mitteln abstimmbar gemacht wird. Die Temperaturmessung soll insbesondere im Bereich von 50 bis 400° C exakt sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die temperaturempfindlichen Widerstände aus einem Paar gleichartiger, zu dünnen Plättchen geschliffener NTC-Widerstände bestehen, und daß das Volumen des temperaturempfindlichen Widerstands ausreichend groß gewählt ist, so daß kurzzeitige Strahlungsänderungen integriert werden und erfor-

derlichenfalls durch Nullpunktverschiebung des Verstärkers kompensierbar sind.

Während bisher bedampfte Glimmerplättchen od. dgl. als Widerstände verwendet wurden, werden erfindungsgemäß NTC-Widerstände aus gesintertem Material verwendet, die zu dünnen Plättchen geschliffen werden. Dies hat die folgenden Vorteile:

a)Die NTC-Widerstände besitzen eine große Temperaturempfindlichkeit, was eine hohe Anzeigeempfindlichkeit der Meßanordnung ermöglicht;

b) sie sind beim Schleifen genau abstimmbar, so daß eine definierte Trägheit erzielbar ist;

c) sie zeichnen sich durch hohe Langzeitkonstanz über wenigstens 10 bis 15 Jahre aus.

Durch die Wahl eines etwas größeren Widerstandsvolumens lassen sich insbesondere kurzzeitige Strahlungsänderungen kompensieren. Die Größe des zu wählenden Volumens hängt hauptsächlich von dem jeweiligen Anwendungsfall ab und kann von jedem Fachmann an Hand einfacher Versuche ermittelt werden. Dadurch lassen sich wesentlich genauere Meßwerte erzielen als mit den bekannten Geräten.

In Folge der geringen Dicke der aus Halbleitermaterial bestehenden Widerstände wird an sich eine relativ geringe Trägheit des Meßsystems erreicht. Auch genügt zur Messung schon eine geringe Strahlungsenergie, wie sie im Infrarotstrahlungsbereich zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu Fotowiderständen und Fotozellen, die an sich eine höhere, jedoch selektive Empfindlichkeit, insbesondere im Bereich des sichtbaren Lichts besitzen, sind thermische Empfänger, insbesondere im Temperaturbereich von 50 bis 200° C, breitbandiger bei linearer Kennlinie.

Eine maximale Ausnutzung der Strahlung und die Einstellung der maximalen Empfindlichkeit kann in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht werden, daß der Hohlspiegel eine sphärische Krümmung aufweist, daß der der Strahlung ausgesetzte temperaturempfindliche Widerstand auf der optischen Achse verschiebbar angeordnet ist und an seinen Randronen eine geringere Absorption als im Kern besitzt und daß die temperaturempfindlichen Widerstände in einem becherartigen Gehäuse aus Aluminium angeordnet sind, welches mittels eines Exzentertriebs gegenüber dem Bolometergehäuse verschiebbar ist.

Bei den bisher bekannten Hohlspiegelpyrometern werden üblicherweise oberflächenverspiegelte, vorzugsweise vergoldete Parabolspiegel verwendet, welche parallel einfallende Strahlen in einem einzigen Brennpunkt zum Schnitt bringen.

Der hier verwendete sphärische Hohlspiegel bringt in Folge der sphärischen Aberration parallel einfallende Strahlen auf einer auf der optischen Achse gelegenen Linie zum Schnitt. Diese Eigenschaft wird zur Fokussierung des axial verschiebbar angeordneten temperaturempfindlichen Widerstands derart ausgenutzt, daß bei spiegelnaher Stellung des temperaturempfindlichen Widerstands vorwiegend die Infrarotstrahlen mit größerem Einfallswinkel erfaßt werden, während bei spiegelferner Einstellung in stärkerem Maße die parallelen Infrarotstrahlen den Widerstand treffen.

Eine derartige Anordnung ist insbesondere zur Messung diffuser Strahlung zweckmäßig, die häufig bei Nichtmetallen, insbesondere bei Gummi, Papier und Textilien auftritt. Die diffuse Strahlung besitzt auf Grund unterschiedlicher struktureller 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 Absorptionswert des temperaturempfindlichen Widerstands, nämlich des Detektorplättchens, an den Randzonen geringer ist als im Kern.

Der Absorptionsgrad des der Strahlung ausgesetzten temperaturempfindlichen Widerstands kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung

is dadurch erhöht werden, daß dieser zumindest auf der dem Hohlspiegel zugewandten Seite eine optisch geschlossene Filter- bzw. Absorptionsschicht aufweist. Außerdem kann eine derartige Schicht aus einem Schwärzungsmittel bestehen und die Wirkung eines

ao Filters zur Erzielung einer gewünschten Selektivität haben, so daß in diesem Fall kostspielige Filter entfallen.

Zur Erhöhung der Strahlungsabsorption können insbesondere metallische Empfangsflächen des De-

»5 tektors mit Schichten folgender Zusammensetzung überzogen werden:

Bis 8 μ Terpentinruß,

bis 9 μ Gemisch aus Ruß und Platinschwarz
95 bis 970/0,

bis 15 μ kolloidaler Graphit,

bis 80 μ Gemisch aus Ruß und
Natronwasserglas.

Zur Filtration können z. B. alle Harnstofflacke in Form von dünnen Filmen für folgende Spektralbanden eingesetzt werden:

Von 0,6 bis 2 μ keine Absorption,
bei 2,9 und 3,4 // 80 bis 90«/₀ Absorption,
von 4 bis 5,5 μ keine Absorption,
von 5,5 bis 8 μ 90 bis 95<>/o Absorption,

von 8 μ allmähliches Abnehmen der Absorption.

Bei geeigneter Wahl der Filter- und Absorptioinsschicht ist es möglich, die Absorptionsbänder von Wasserdampf und Kohlendioxyd durch Filtration zu löschen, so daß nur der stabile spektrale Durchlaßbereich zur Messung verwendet werden kann.

Gegebenenfalls können zusätzlich zur Auswahl des gewünschten Spektralbereichs Filtergläser Verwen-

dung finden. Auch kann das Fenster der zum Hohlspiegel offenen Detektorkammer mit einem geeigneten Filter versehen sein, welches außerdem die Beeinflussung des temperaturempfindlichen Widerstands durch Konvektionswärme verhindert, so daß abgesehen von dem gewünschten Einfluß der Strahlungswärme beide Detektoren gleichen Einflüssen ausgesetzt sind.

Zur Kompensation von der zu niessenden Strahlung überlagerten Störstrahlungen ist der Nullpuökt

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.

Die temperaturbedingte Änderung des Neigungswinkels des Hohlspiegels kann ebenfalls zu Meßfehlern führen. Um diese Meßfehler zu kompensieren, wird ferner vorgeschlagen, am Ende des Hohlspiegels

einen weiteren temperaturempfindlichen Widerstand, vorzugsweise einen NTC-Widerstand, anzuordnen, welcher den Operationsverstärker zum Ausgleich dieses Meßfehlers steuert.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, im einzelnen erläutert. In diesen zeigt

Fig. 1: Axialschnitt des Meßkopfs eines erfindungsgemäßen Bolometers und

Fig. 2: Blockschaltbild der Schaltungsanordnung für das erfindungsgemäße Bolometer.

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 3 in einen Strahlungsteil (rechter Teil gemäß Fig. 1) und in einen Schaltungsteil (linker Teil gemäß Fig. 1) unterteilt.

Nach außen ist der Strahlungsteil mittels eines Konvektionsschilds 6 verschlossen, das aus einem Abschlußring 6a, einer über diesen gespannten und mit einem Preßring 66 gehaltenen Folie 6c sowie einem Schutzgitter 6d besteht. Dieser Konvektionsschild verhindert einerseits das Eindringen von Staub und andererseits die Bildung von Luftströmungen im Bereich des thermischen Detektors 2, welche das Meßergebnis entscheidend verfälschen können.

Der thermische Detektor 2 besteht aus einem becherartigen, dickwandigem Gehäuse 2a, das mittels einer dünnen Trennwand 26 in zwei Kammern 2c und Id unterteilt ist. Die dem Hohlspiegel 3 zugewandte 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 Id 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. Der NTC-Widerstand 7 kann eine aufgesprühte oder in anderer Weise dünn aufgetragene Absorptionsschicht aufweisen, welche einerseits die Absorptionsfähigkeit seiner Oberfläche erhöht und andererseits als Filter zur Beschränkung des Frequenzbereichs dienen kann. Die Trennwand 26, die auf der dem Widerstand 7 zugekehrten Seite poliert oder verspiegelt ist, verhindert, daß die Infrarotstrahlen zum Widerstand § gelangen. Somit erwärmt sich der NTC-Widerstand ausschließlich durch Leitungs- und Strorme, während der NTC-Widerstand 7 zusätzlich durch Strahlungswärme erwärmt wird. Der Konvektionsschild 6 sorgt dafür, daß der Anteil der Konvekrkmswärme vernachlässigbar gering bleibt.

Das Detektorgehäuse wird mittels einer Tragplatte 2/ von Stützen Ig getragen. Durch die aus Iso liermaterial bestehende Tragplatte 2/ werden di< elektrischen Anschlüsse der NTC-Widerstände ' und 8 hindurchgeführt.

Die Stützen 2g sind mit einem Schlitten α verbun den, der mittels eines Exzenters 96 in Axialrichtuni verschiebbar ist, wobei er gegenüber dem Gehäuse ] mittels einer Führungsschraube 9c geführt wird.

Zur Festlegung des Hohlspiegels 3, der Leiterplat te 4 und der Anschlußplatte 5 sind im linken Tei

ίο des Gehäuses 1 zwischen diesen Distanzringe 10 unc 11 eingesetzt, wobei der äußere, als Gewinderinj ausgebildete Abschlußring 12 sämtliche Teile gegen einander, den Spiegel mit einer planen Ringfläch« gegen einen Bund la und die Anschlußplatte geger

einen weiteren Bund 16 des Gehäuses 1 drückt.

Zwischen der Leiterplatte 4 und der Anschluß platte 5 ist schließlich noch ein Potentiometer 13 an geordnet, mit welchem der Brückenstrom für die ai Hand von Fig. 2 noch im einzelnen erläutert!

ao Schaltung verändert werden kann. Auf die aus den Gehäuse 1 herausragende Potentiometerachse 13a is ein Stellknopf 13 kraftschlüssig aufgesetzt, mit wel chem der Emissionsfaktor des Meßobjekts eingestell werden kann. Ihm ist eine entsprechende, am Ge

as häuse 1 befestigte Skala 13c zugeordnet.

Die Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßei Strahlungsbolometers ist aus dem Blockschaltbild ge maß F i g. 2 ersichtlich.

Die NTC-Widerstände 7 und 8 des Detektors ; sind in benachbarten Zweigen einer Wheatstone Brücke angeordnet. In den -beiden anderen einande benachbarten Brückenzweigen liegen in bekannte Weise zwei einander gleiche ohm'sche Widerstand* 14 und 15. Zwischen den beiden NTC-Widerstän den 7 und 8 liegt ein Potentiometer 16, dessen Mit tenabgriff mit der einen Eingangsklemme des Ope rationsverstärkers verbunden ist. Die andere Ein gangsklemme des Operationsverstärkers ist mit den anderen Punkt der Brückendiagonalen, nämlich den Knotenpunkt zwischen den Widerständen 14 und 15 verbunden.

Die Brückenschaltung wird aus einer stabilisiertet Gleichspannungsquelle, dem sogenannten Stabilisa tor, gespeist, wobei die Stromeinspeisung in die an

dere Brückendiagonale erfolgt. Der Speisestrom is mit dem Widerstand 13, dem sogenannten Emis sionsregler, einstellbar, wodurch der unterschiedlich! Emissionsgrad des Meßobjekts berücksichtigt werdei kann.

Ist der NTC-Widerstand 7 keiner Infrarotstrah lung ausgesetzt, so ist die Brdckenschaltung abgegli chen, so daß am Eingang des Operationsverstärker keine Spannung liegt Wegen der Briickenanordnunj wirkt sich eine gleichzeitige Erwärmung der NTC

Widerstände 7 und 8 nicht auf das Meßergebnis aus Wird dagegen der NTC-Widerstand 7 einer Infra

rotstrahlung I. R. ausgesetzt, so liegt am Operations

Verstärkereingang eine Gleichspannung, die nach Ver

stärken über den Impedanzwandler dem Meßausganj 18 zugeführt wird. An den Ausgang 18 kann en Analog- oder Digitalmeßmstrument, ein Schreib© od. dgl. Gerät angeschlossen werden. Auch kann di< derart erzeugte Meßgröße gegebenenfalls nach weite rer Verstärkung zu Steuerzwecken ausgenutzt werden

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüdie:

1. Teilstrahlungsbolometer, bestehend aus einem Hohlspiegel, in dessen Brennpunkt ein temperaturempfindlidier Widerstand, insbesondere ein Halbleiter, angeordnet ist, sowie aus einem zweiten gleichartigen, der Strahlung nicht ausgesetzten temperaturempfindlichen Widerstand, wobei die beiden temperaturempfindlichen Wider- "> stände in benachbarten Zweigen einer Brückenschaltung angeordnet sind und die art der Briikkendiagonalen auftretende Spannung verstärkt und mitteis eines Instruments zur Temperaturbestimmung angezeigt wird, dadurchgekennzeichnet, daß die temperaturempfindlichen Widerstände (7, 8) aus einem Paar gleichartiger, lu dünnen Plättchen geschliffener NTC-Widerstände bestehen, und daß das Volumen des te*nperaturempfindlichen Widerstands (7, 8) ausrei- *<> chend groß gewählt ist, so daß kurzzeitige Strahlungsänderungen integriert werden und erforderlichenfalls durch Nullpunktverschiebung des Verstärkers kompensierbar sind.

2. Bolometer nach Anspruch 1, dadurch ge- ^a5 kennzeichnet, daß der Hohlspiegel (3) eine sphärische Krümmung aufweist, daß der der Strahlung ausgesetzte temperaturempfindliche Widerstand (7) auf der optischen Achse (A-A) verschiebbar angeordnet ist und an seinen Randzonen eine geringere Absorption als im Kern besitzt und daß die temperaturempfindlichen Widerstände (7, 8) in einem becherartigen Gehäuse (3) aus Aluminium angeordnet sind, welches mittels eines Exzentertriebs (9a, b, c) gegenüber dem Bolometergehäuse (1) verschiebbar ist.

3. Bolometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der der Strahlung ausgesetzte temperaturempfindliche Widerstand (7) zumindest auf der dem Hohlspiegel (3) zugewandten ♦" Seite eine optisch geschlossene Filter- bzw. Absorptionsschicht aufweist.

4. Bolometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus in Form eines dünnen Films aufgesprühtem Harnstofflack besteht.

5. Bolometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen weiteren, mit dem Hohlspiegel (3) verbundenen, temperaturempfindlichen Widerstand, welcher den Verstärkungsgrad des Verstärkers zur Kompensation der Wärmeausdehnung des Spiegels (3) beeinflußt.