DE2253214C3 - Einrichtung zur Messung einer Temperaturstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung einer Temperaturstrahlung mit einem auf konstanter Temperatur gehaltenen Halbleiter als Meßfühler, dessen Meßeffekt auf einer nichtlinearen Änderung mindestens einer seiner physikalischen Eigenschaften innerhalb eines stoffspezifischen Temperaturbereichs beruht.

Es sind Strahlungspyrometer bekannt, in denen Halbleiter als Meßfühler verwendet sind, beispielsweise Germanium- oder Silizium-Fotoelemente. Ihre Empfindlichkeit ist jedoch im allgemeinen für die Messung niedrig-energetischer Strahlung nicht ausreichend, bzw. es müssen aufwendige Schaltanordnungen verwendet werden.

Es sind auch Einrichtungen zur Messung einer Temperaturstrahlung bekannt, bei denen als Meßfühler pyroelektrische Detektoren zum Einsatz gelangen (s. DT-OS 20 00 388). Diese Meßeinrichtungen arbeiten nach einem Vergleichsverfahren, bei welchem die Signale eines Meß- und eines Bezugselements miteinander verglichen werden. Der Meßeffekt, der auf der spontanen Polarisation im Bereich einer Übergangslemperatur beruht, ist jedoch sehr gering, die auf den Detektor folgenden Auswerteschaltungen sind dementsprechend aufwendig, da verschiedene Parameter mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden müssen.

Es besteht demnach eii< Bedürfnis nach einer einfach aufgebauten Meßeinrichtung für Temperaturstrahlung, die es gestattet, kleine Strahlungsenergien ohne großen Schaltungsaufwand in ein proportionales elektrisches Meßsignal umzuwandeln.

Eine Einrichtung zur Messung einer Temperatur-Strahlung der eingangs genannten Art, die der genannten Forderung entspricht, ist gekennzeichnet durch einen seinen Widerstand im Bereich seiner Curie-Temperatur sprunghaft ändernden stäbchenförmigen Halbleiter, dessen konstante Temperatur in der Nähe der Curie-Temperatur gehalten ist, dessen Stirnfläche der zu messenden Strahlung ausgesetzt und dessen Gesamtwiderstand ein Maß für die Temperatur der Strahlung ist.

Halbleiter mit den obengenannten Eigensciiaften sind bekannt, sie bestehen beispielsweise aus Oxyden der sogenannten Übergangsmetalle Natrium, Titan, Chrom. Sie finden Verwendung als kontaktlose Schalter oder als Temperaturnormal für Thermoelemente (s. beispielsweise »Siemens-Zeitschrift«. 4/72. S. 242 bis 244). Dabei hat sich Vanadiumdioxyd VO: als besonders geeignet erwiesen, da die Steilheit seiner Widerstandskennlinie im Curie-Punkt sehr groß ist und die Curie-Temperatur mit 338,65° K entsprechend 65,5 C in einem für technische Zwecke günstigen Bereich liegt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsfühler ein nadeiförmiger Einkristall aus Vanadiurndioxyd ist.

Zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.

In einem Gehäuse 1, dessen Gehäusewandung und Innenraum auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann, ist ein stäbchenförmiger Halbleiter 2, beispielsweise eine VOz-Kristallnadel, derart angeordnet, daß das eine Ende an der Wand des Gehäuses 1 befestigt ist und sein anderes Ende bzw. dessen Stirnfläche der durch ein Fenster 3 im Gehäuse 1 fallenden Temperaturstrahlung ausgesetzt ist. Bei den sehr kleinen Stirnflächenabmessungen einer VO2-Einkristallnadel ist es zweckmäßig, zur Verbesserung der Wirkung mit der Stirnfläche eine größere, strahlungsabsorbierendc Fläche 4, z. B. ein auf der Vorderseite geschwärztes Silberplältchen, zu verbinden.

Besteht der Halbleiter 2, wie bereits gesagt, aus Vanadiumdioxyd, dessen Curie-Temperatur bei 65,5°C liegt, und beträgt die thermostatisiertc Gehäusetemperatur etwa 65°C, so ist der Gesamtwiderstand R des Halbleiters 2 hoch, er liegt bei etwa 50 kOhm. Wird ein Temperaturstrahler angemessen, dessen Temperatur höher als die Curie-Temperatur ist, so wird die durch das Fenster 3 einfallende Strahlung in der strahlungsabsorbierenden Fläche 4 in Wärme umgewandelt und auf die Stirnfläche des Halbleiters 2 übertragen. Wird die Curie-Temperatur des Halbleiters an seiner Stirnfläche überschritten, so ändert sich der Widerstand sprunghaft um vier bis fünf Zehnerpotenzen. Die Phasengrenze zwischen niederohmiger und hochohmiger Leitung verschiebt sich proportional zur absorbierten Strahlungsenergie von der Stirnseite her entlang der Achse des Halbleiters 2, so daß der Gesamtwiderstand R sich entsprechend ändert und ein Maß für die Temperatur der gemessenen Strahlung ist.

Liegt die Temperatur der zu messenden Strahlung in einem Bereich unterhalb der Curie-Temperatur von 65,5⁰C, so wird das Gehäuse 1 und mit ihm der stäbchcnförmige Halbleiter 2 auf eine konstante Temperatur von etwa 66⁰C thermostatisiert. Der Halbleiter 2 ist bei dieser Temperatur niederohmig. Beim Anmessen des kälteren Strahlers kühlt die Stirnfläche des Halbleiters 2 ab, er wird von der Stirnfläche her hochohmig, so daß auch hier der Gesamtwiderstand R ein Maß für die Temperatur der gemessenen Strahlung ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung einer Temperaturstrahlung mit einem auf konstanter Temperatur gehaltenen Halbleiter als Meßfühler, dessen Meßeffekt auf einer nichtlinearen Änderung mindestens einer seiner physikalischen Eigenschaften innerhalb eines stoffspezifischen Temperaturbereichs beruht, gekennzeichnet durch einen, seinen Widerstand im Bereich seiner Curie-Temperatur sprunghaft ändernden, stäbchenfcrmigen Halbleiter (2). dessen konstante Temperatur in der Nähe der Curie-Temperatur gehalten ist, dessen Stirnfläche der zu messenden Temperaturstrahlung ausgesetzt und dessen Gesamtwiderstand ein Maß für die Temperatur dieser Strahlung ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsfühler ein nadeJförmiger Einkristall aus Vanadiumdioxyd (VO2) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Strahlung ausgesetzten Stirnfläche des Halbleiters (2) eine größere Strahlungsabsorbierende Fläche (4), vorzugsweise ein geschwärztes Silberplättchen, angebracht ist.