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Kennwort: Laser Kalorimeter KAIORIMETER Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Kalorimeter, insbesondere ein-Flüssigkeitskalorimeter für die Leitungsmessung
von Laserstrahlen.
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Kalorimeter dienen u.a. zur Bestimmung der Leistung (Energie) von
Strahlen; beispielsweise Laserstrahlen.
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Zur Ermittlung der Leistung wird die Laserstrahlung über ein Metallfenster
als Resorber in eine leistungsäquivalente Wärmemenge umgewandelt. Diese Wärmemenge
wird durch eine Flüssigkeit abgeführt, deren Temperaturerhöhung ein direktes Maß
für die Strahlenleistung ist.
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Bei bekannten Kalorimetern (s.a. Lueger, Band I, Seite 224 bis 226)
wird die Temperaturerhöhung mittels Thermoelementen gemessen. Von Nachteil ist bei
der Verwendung von Thermoelementen als Temperaturfühler, deren gekrümmte Temperatur-Spannungs-Kennlinie.
Dadurch ist eine erzeugte Differenzspannung nicht mehr linear zur eingestrahlten
Leistung und bei Verwendung von digitalen Ziffernanzeigeinstrumenten ist ein erheblicher
Aufwand zur elektrischen Entzerrung der gekrümmten Kennlinie erforderlich. Der Aufbau
der gesamten Einrichtung wird dadurch aufwendig und kompliziert. Ferner wird durch
die zusätzlichen elektrischen Bauteile die Regelgenauigkeit ungünstig beeinflußt.
Bei Verwendung eines Zeigerinstrumentes ist es notwendig, die Skala des Gerätes
entsprechend der Xennlinienkrümmung zu eichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kalorimeter, insbesondere zur Leistungsmessung
von Laserstrahlen zu schaffen, das einfach im Aufbau ist, und dessen Regelgenauigkeit
gegenüber den bekannten Kalorimetern verbessert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß die Temperaturfühler im Kalorimeter als Drahtwiderstände mit großem positivem
Temperaturkoeffizienten ausgebildet sind.
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Die Verwendung derartiger Drahtwiderstände hat den Vorteil, daß deren
Temperatur-Widerstands-Kennlinie im ausgenutzten Temperaturbereich von 100 C bis
etwa 500 C linear verläuft.
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Somit wird die zugestrahlte Laserleistung in eine lineare Ausgangsgröße
umgeformt. Diese der Laserleistung lineare und proportionale Größe ist über an sich
bekannte Anzeigeinstrumente, wie beispielsweise Drehspulmeßinstrumente mit linearer
Skala oder digitale Ziffernanzeigegeräte, in einfachster Weise anzeigbar.
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Der Fehler des Kalorimeters mit Drahtwiderständen liegt unter 1 %,
wodurch es möglich geworden ist, die Laserstrahlleistung mit höchster Genauigkeit
zu bestimmen. teile erreichbare Langzeitgenauigkeit bleibt während der gesamten
Jebensdauer des Kalorimeters konstant; bei Kalorimetern mit Thermofühlern ist dagegen
eine wesentlich geringere Langzeitgenauigkeit gegeben, z.B. infolge der Diffussion
der Ifetalle des Thermoelementes. Eventuell festgestellte Abweichungen des Laserstrahlen,
die den Bearbeitungsvorgang negativ beeinflussen, können somit exakt ermittelt werden
und die Laserleistung kann entsprechend nachgestellt werden.
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Als besonders vorteilhaft haben sich Drahtwiderstände mit einem Temperaturkoeffizienten
zwischen etwa 3 und etwa 8 x 10-3 erwiesen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
der dem Flüssigkeitseintritt zugeordnete Drahtwiderstand mit einem ersten Verstärker
und der dem Flüssigkeitsaustritt zugeordnete Drahtwiderstand mit einem zweiten Verstärker
verbunden ist. Bevorzugt sind die Verstärker als Negativ Impedance Converter ausgebildet
und die Drahtwiderstände im Eingangskreis des Negativ Impedance Converters angeordnet.
Durch die Verstärker wird vorteilhaft die lineare temperaturabhängige Widerstandsänderung
in ein lineares und proportionales Signal umgeformt, welches einem handelsüblichen
Anzeige instrument mit linearer Skala zuführbar ist.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen hervor.
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In den Zeichnungen veranschaulicht: Figur 1: eine schematische Darstellung
des Kalorimeter's gemäß der Erfindung; Figur 2: eine elektrische Anordnung der Drahtwiderstände;
Figur 3: eine weitere elektrische Anordnung der Drahtwiderstände.
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Gemäß Figur 1 weist das Kalorimeter 10 ein Gehäuse 11 auf, welches
mit einem Flüssigkeitseintritt 12 und einem Flüssigkeitseintritt 13 versehen ist.
Ferner ist im Gehäuse 11 ein Resorber 14 vorgesehen, auf dem während der Leistungsinessung
ein Energiestrahl, vorzugsweise ein 15 Laserstrahl gerichtet wird, welcher von dem
schematisch dargestellten Laser 16 erzeugt wird.
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Bevorzugt ist der Resorber 14 aus einem gut wärmeleitenden Metall
gefertigt, dessen Oberfläche so ausgebildet ist, daß die zu messende Laserstrahlung
maximal resorbiert wird. Bevorzugt ist die Oberfläche des Resorbers eloxiert, oxidiert
oder lackiert.
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Erfindungsgemäß weist das Kalorimeter als Temperaturfühler Drahtwiderstände
17 und 18 mit großem positivem Temperaturkoeffizienten auf. Diese Drahtwiderstände
17 u. 18 bestehen vorzugsweise aus einem Hohl zylinder 19 auf dem der Widerstandsdraht
19'einlagig aufgewickelt ist.
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Die Widerstände 17, 18 sind derart im Eintritt 12 bzw.
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Austritt 13 angebracht, daß sie allseitig von Flüssigkeit umgeben
sind. Durch die Hohlwiderstände wird erreicht, daß die Masse der Widerstände klein
und die wirksame Widerstandsoberfläche groß ist, so daß die Einstellgeschwindigkeit
(Zeit vom Auftreten der Laserstrahlen auf dem Resorber bis zu einer leistungsäquivalenten
Anzeige) des Kalorimeters klein ist. Die Einstellgeschwindigkeit beträgt Je nach
gewählter Flüssigkeitsdurchflußmenge 5 - 45 Sekunden.
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Zur Vermeidung von Teilkurzschlüssen der Widerstände 17 und 18 sind
diese ganzflächig isoliert. Besonders sind hierzu keramische und glasartige Schmelzlasuren
geeignet. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Widerstandskörper ronrförmig
auszubilden, wobei durch den Körper die Flüssigkeit fließt und auf dem Außenmantel
des Körpers vorzugsweise in Gewindegängen (Steigung o,o8 - o,1 mm), ein nicht isolierter
Widerstandsdraht schraubenförmig aufgewickelt ist. Der Widerstandskörper kann aus
einem Werkstoff mit kleinerer Wärmeleitzahl beispielsweise aus Kunststoff, wie Plexiglas,oder
aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, beispielsweise Metall, wie Kupfer, gefertigt
werden.
Besteht der Widerstandskörper aus einem Metall, is6&iJe
Wickeloderfläche durch eine Eloxal-, Lack- oder Oxydschicht vorzugsweise derart
isoliert, daß die am Neßwiderstandsdraht auftretende Spannung nicht kurzgeschlossen
wird. Die Verwendung eines Widerstandskörpers aus Plexiglas ist insbesondere bei
einer Dauerleistungsmessung vorteilhaft, da aufgrund der Trägheit des Widerstandskörpers
eine kurzzeitig auftretende geringe Leistungsschwannung nicht zu einer Änderung
des Ausgangssignales führt. Ein Widerstandskörper aus Metall ist dagegen insbesondere
zur schnellen Bestimmung der Laserleistung vorteilhaft anwendbar.
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Bevorzugt ist der Widerstandsdraht aus einem weich geglühten Nickeldraht
gefertigt und weist einen Durch messer von o,o4 mm auf.
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Wie aus der elektrischen Anordnun gemäß Figur 2 hervorgeht, ist der
im Flüssigkeitseintritt 12 vorgesehene Drahtwiderstand 17 mit einem ersten Verstärker
20 und der im Flüssigkeitsaustritt 13 vorgesehene Drahtwiderstand 18 mit einem zweiten
Verstärker 21 verbunden.
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Die linearen Verstärker 20 und 21 sind in wesentlichen gleich aufgebaut
und bestehen aus einem Rechenverstärker 22 sowie den Widerständen 23, 24, 25 und
26. Der Widerstand 23 ist dabei parallel zu Ausgang 27 und invertierendem Eingang
28, der Widerstand 24 parallel zu AusF gang 27 und nicht invertierendem Eingang
29 geachaltet, während der Widerstand 25 mit dem invertierenden Eingang 28 und der
Masse in Verbindung steht. Der Widerstand 26 ist einerseits mit einer Konstantspannquelle
3o und andererseits sowohl mit dem Drahtwiderstand 17 bzw. 18, als auch mit dem
nicht invertierenden Ein gang 29 verbunden.
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Ein derartiger Verstärkeraufbau ist auch unter der Bezeichnung Negative
Impedance Converter (NIC) bekannt.
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Bei den als NlC geschalteten Verstärkern ergibt sich eine Ausgangsspannung
Ua, die proportional und linear der über dem Drahtwiderstand 17 bzw. 18 abfallenden
Spannung ist, und zwar: (1 + a ) x Rx Ua= R1 wobei U = Konstantsollspannung R1 =
Widerstand 26 Rx = Drahtwiderstand 17 a = Verstärkungsfaktor, Widerstand 2 entspricht:
Widerstand Wie ferner aus Figur 2 hervorgeht, steht der Ausgang 27 des ersten Verstärkers
20 mit dem invertierenden EingKng 28' des zweiten Verstärkers 21 und der Ausgang
27' des zweiten Verstärkers 21 mit einem Anzeigeinstrument 31 in Verbindung.
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Die Wirkungsweise der in Figur 2 veranschaulichten Schaltung ist folgende:
Uber die Widerstände 26, 26' wird den Drahtwiderständen 17 bzw. 18 ein konstanter
Strom zugeführt, der aus der Konstantsollspannquelle 30 entnommen wird. Der diesem
Strom proportionale Spannungsabfall über dem Drahtwiderstand 17 wird dem nicht invertierenden
Eingang 29 des Rechenverstärkers 22 zugeführt. Dieser Rechenverstärker ist durch
entsprechende Dimensionierung der Widerstände 23 und 25 auf einen Verstärkungsfaktor
20 eingestellt. Die am Ausgang 27 des Verstärkers 20 anstehende Gleichspannung wird
dem invertierenden Eingang 28' des Verstärkers 21 zugeführt, an dessen nicht invertierendem
Eingang 29' eine dem Drahtwiderstand 18 proportionale Spannung liegt.
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Damit erscheint am Ausgang 27' des Verstärkers 21 und der Masse eine
Gleichspannung, die der Differenz der Widerstandswerte der Drahtwiderstände 17 und
18 linear und proportional und damit ein Maß für die in das Xalorimeter eingebrachte
Laserstrahlleistung ist.
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Nachfolgend werden als Beispiel die Bezeichnungen bzw.
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Kenngrößen der in Figur 4 veranschaulichten elektrischen Bauteile
angegeben, unter denen sie im Handel erhältlich sind.
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Drahtwiderstände 17, 18 9o z :. Temperaturkoeffizient 6,2 x 10 -3
Operationsverstärker 22, 22' NO 1741 der Firma MOTOROIA - USA Widerstände 23, 23'
200 E Widerstände 24, 24' 200 K Widerstände 25, 25' 10 K~ Widerstände 26, 26' 10
K Unter Zugrundelegung einer derartigen Schaltung und einer Wasserdurchflußmenge
von 12 l/h ergab sich eine Widerstandsdifferenz zwischen Drahtwiderstand 17 und
18 von etwa 60 Ohm, wenn auf den Resorber 14 eine Leistung von 200 Watt aufgestrahlt
wird.
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Bei dem in Figur 3 veranschaulichten Schaltbild sind die Ausgänge
2T, 27' des ersten bzw. zweiten Verstärkers 20, 21 mit einem Differenzverstärker
32 verbunden, dem ein Anzeigeinstrument 31 nachgeschaltet ist.
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Der Differenzverstärker 32 besteht im wesentlichen aus einem Rechenverstärker
33, dessen Ausgang 34 über einen Widerstand 35 mit dem invertierenden Eingang 36
und dessen nicht invertierendem Eingang 37 über einen Widerstand 38 mit der Masse
verbunden ist.
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Ferner sind den Eingängen 36, 37 Vorwiderstände 39 und 40 zugeordnet.
Die Ausführung, bei der die den Widerstandsänderungen der Drahtwiderstände 17 und
18 linearen und proportionalen Signale einem separaten Vergleicher (Differenzverstärker
32) zugeführt werden, ist im Hinblick auf eine einfache Abstimmung und Auslegung
besonders vorteilhaft.
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Die beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 beispielsweise verwendbaren
Bauteile und die entsprechenden Kenngrößen sind nachfolgend angegeben.
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Drahtwiderstände 17, 18 16o;x 6,2 x 10 Operationsverstärker 22, 22',
33 MC 1741 MOTOROLA - USA Widerstände 23, 23' 10 K 'L Widerstände 24, 24' 11o K
L Widerstände 25, 25' loo K Widerstände 26, 26' 1,1 K Widerstand 35 ioo K ~ Widerstand
38 loo K Widerstand 39 5 K Widerstand 40 5 K Die besondere Art der Schaltung gemäß
Figur 2 bzw. 3 gestattet, die Drahtwiderstände und die Speisespannung einseitig
an Masse zu legen. Dadurch entfallen vorteilhaft die bisher erforderlichen Maßnahmen
zur Abschirmung der Netztransformatoren.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kalorimeter ist außer zur Strahlungsmessung
selbstverständlich auch zur Untersuchung von Gasen, Flüssigkeiten vorteilhaft geeignet.