DE2332933B2

DE2332933B2 - Waermestrahlungsmessgeraet

Info

Publication number: DE2332933B2
Application number: DE19732332933
Authority: DE
Inventors: Hans Luzern Räber (Schweiz)
Original assignee: Ausscheidung in: 23 65 867 Cobra AG Infrared Systems Inc., Stans (Schweiz)
Priority date: 1973-06-07
Filing date: 1973-06-28
Publication date: 1976-10-14
Also published as: DE2365867A1; DE2332933A1; CH553974A

Description

Die Erfindung betrifft ein Warmestrahlungsmeßgerät, bestehend aus einer Widerstandsmeßbrücke mit temperaturabhängigen Widerständen, von denen zumindest einer wenigstens teilweise einer Wärmestrahlung aussetzbar und diesem ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand zugeordnet ist, der zur Kompensation der Umgebungstemperatur in der Nähe des der Strahlung ausgesetzten Widerstandes angeordnet ist.

Aus der DT-AS 12 54 378 ist ein Bolometer mit einem Meßelement aus dünnem, außen isolierten Draht bekannt, wobei dieser Draht zu einem regellosen Haufwerk zusammengeballt und in einem Behälter aus Glas angeordnet ist, der auf der gesamten Innenfläche einen versilberten Überzug trägt und mit einer Schicht von wärmeisolierendem Material umgeben ist. Zum Zweck der Kompensation der mittleren Temperatur ist bei dieser Anordnung zusätzlich ein Widerstand vorgesehen, der sich wieder Widerstand des Drahtes im Bolometer mit der Temperatur verändert. Das Element, das die mittlere Temperatur kompensiert, hat den Zweck. Energieverschiebungen in der Meßbrücke möglichst klein zu halten, die von Änderungen der Umgebungstemperatur herrühren. Als Kompensationselement wird dabei zusammen mit dem bereits erwähnten Bolometer ein ähnliches Bolometer verwendet, das als Phantom-Bolometer in einen Widerstandszweig einer Wheatstone-Brücke geschaltet wird. Das Phantom-Bolometer wird in gutem Wärmekontakt mit dem Meß-Bolometer in dem Behälter angeordnet, wobei sichergestellt wird, daß das aktive Bolometer die optische Energie der einfallenden Strahlung aufnehmen kann, während das Phantom-Bolometer von der einfallenden Energie nicht getroffen wird.

Nachteiiig bei der bekannten Anordnung, die zur Messung sehr hoher, stark gebündelter, gegebenenfalls nur kurzzeitig auftretender Strahlungsenergien aus dem sichtbaren Gebiet oder den benachbarten Gebieten des elektromagnetischen Strahlungs-Spektrums dient, daß es vergleichsweise kompliziert aufgebaut ist. relativ viel Raum beansprucht und vor alicm schlecht zur Messung sehr kle^;ner Temperaturen geeignet ist. da gerade hei sehr kleinen Temperaturen aufgrund von vagabundierenden Temperatur-Gradienten zwischen den beiden Bolometern ein ungünstiges Verhältnis von Nut/signal zu Störsignal auftreten kann.

Aus der DT-AS 19 14 4b7 ist ein Strahlungsdetektor mit strahlungsempfindlichen Widerstanden, die in einer Brückenschaltung angeordnet s.ind. bekannt, bei dem die gesamte Brücke aus einem Kristall monolithisch herausgearbeitet ist. dessen Material einen strahlungsempfindlichen Widerstandswert hat, wobei wenigstens ein Brückenzweigteil einer Strahlung aussetzbar ist. Der nicht der Strahlung ausgesetzte Brückenzweig ist dabei auf einer thermisch gut leitenden Unterlage aufgebracht, wodurch auch bei einfallender Strahlung die nicht bestrahlten Widerstände auf konstanter Temperatur gehalten werden, was gleichbedeutend damit ist, daß sich bei einer Änderung der Umgebungstemperatur die beiden Brückenzweige verschieden sohneil der neuen Umgebungstemperatur anpassen, da die sich nicht auf der thermisch gut leitenden Unterlage befindenden Widerstände nur die Wärmekapazität des Eigenmaterials besitzen, während die thermisch mit der Unterlage verbundenen Widerstände sich entsprechend der größeren Wärmekapazität langsamer den neuen Verhältnissen anpassen.

Die flächige Ausgestaltung der temperalurabhängigen Widerstände und ihre charakteristische Anordnung auf einer gut wärmeleitenden Unterlage gemäß DT-AS 19 14 467 führt dazu, daß eine relativ große thermische Zeitkonstante erhalten wird und das durch Raumtemperatur-Änderungen verursachte Verhältnisse von Nutzzu Slörsignal die Messung sehr kleiner Temperatur-Änderungen beträchtlich erschwert.

Aus der US-PS 34 87 213 ist ein Bolometer /ur Infrarot-Strahlungsmessung bekannt, bei dem auf einem Metallkörper zwei Thermistorelemente angebracht sind, von denen eine mit der zu messenden Strahlung beaufschlagt ist, während das andere zu Kompensationszwecken dient. Beide Thermistoren sind in einer Brückenschaltung geordnet, wobei zum Zwecke der Erhöhung des erreichbaren Ausgangssigrials die beiden Thermistoren mit phasenverschobenen Impulszügen

vorgebbarer Frequenzen beaufschlagt sind. Mii dieser Anordnung kann zwar eine Verbesserung der Aniprechdynamik erzielt werden, aber es muß zu diesem £weck wiederum ein erheblicher Au'wand in Kauf genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmestrahlungsmeßgerät der eingangs definierten Art so auszubilden, daß nicht nur Umgebungstemperatur-Eiiiflüsse auf die Messung eliminiert werden, sondern vielmehr auch bei geringer Wärmestrahlung ein besonders günstiges Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal erhalten wird, und zwar bei gleichzeitiger Gewährleistung eines einfachen und raumsparenden Aufbaus.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das einander zugeordnete Paar von Widerständen aus einem blockförmigem Körper besteht, eier einseitig bestrahlt und auf der der bestrahlten Seile gegenüberliegenden Seite bezüglich der Strahlung abgeschirmt irt, und daß neben den besirahiungsekig und im Bereich der abgeschirmten Seite liegenden getrennten elektrischen Anschlüssen ein gemeinsamer Anschluß auf der den getrennten Anschlüssen gegenüberliegenden Seite des Körpers vorgesehen ist.

Durch diese Maßnahmen, und insbesondere durch die blocklormige Zusammenfassung von Widerstandspaaren und die dadurch mögliche Ausnutzung der sich in dem bloekförmigcn Körper selbst einstellenden Temperatur-Gradienten wird es möglich, Temperaturen im Bereich der normalen Raumtemperatur sehr genau zu bestimmen und gleichzeitig die thermische Zeitkonstante der Meßanordnung optimal klein zu halten.

Der blockförmige Körper ist vorzugsweise U-förmig ausgebildet, wobei die getrennten Anschlüsse an den freien Enden der Schenkel vorgesehen sind und der gemeinsame Anschluß am Verbindungsteil der beiden Schenkel angebracht ist.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der blockförmige Körper die Form eines Quaders oder eines Pyramidenstumpfes auf, wobei der gemeinsame Anschluß an einer Endfläche vorgesehen ist und die getrennten Anschlüsse an oder im Bereich der dieser Endfläche gegenüberliegenden Endfläche mit gegenseitigem Abstand angebracht sind.

Eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Widerstände der Meßbrücke jeweils paarweise in einem blockförmigen Körper zusammengefaßt und diese beiden Körper großflächig aneinander liegen und thermisch eng gekoppelt sind. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Widerstände in einem einzigen blockförmigen Körper mit gegenseitig beabstandeten Anschlüssen zusammengefaßt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild der bekannten Wheatstoneschen Brücke,

F i g. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Erfindung,

Fig.4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform thermisch gekoppelter Widerstände,

Fig. 5, 6 und 7 weitere Ausführungsformen von einteiligen Widerstandspuaren,

Fig.8 ein Schaltbild einer Wheatstoneschen Brücke mit zwei der Wärmestrahlung auszusetzenden Widerständen und

Fig. 9, 10 und 11 schematische Darstellungen konstruktiver Ausgestaltungen der Meßanordnung nach F i g. 8.

Fig. 1 zeigt die bekannte Wheatstonesche Brücke mit den vier Anschlußpunkien 5, 6, 7 und 8 und den elektrischen Widerständen 1, 2, 3 und 4. Es sei angenommen, der Widerstand 1 sei ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand und werde einer Wärmestrahlung ausgesetzt. Zur Kompensation der Raumtemperatur können der Widerstand 2 oder 3 oder sämtliche Widerstände als temperaturabhängige Widerstände ausgebildet werden.

Im folgenden wird angenommen, daß der Widerstand 2 den Kompensationswiderstand bildet. Somit ändern sich die Widerstünde 1 und 2 in genau gleichem Maße mit der Raumtemperatur und der Widerstand 1 ändert sich zusätzlich noch durch den Einfluß der Wärmestrahlung. Der durch die Wärmestrahlung verursachte Temperaturverlaul', in Funktion der Zeit, ist in F i g. 2 als Kurve 9 dargestellt.

Gemäß der Erfindung sine' die Widerslände 1 und 2 thermisch sehr eng gekoppelt. Ist keine Wärmestrahlung vorhanden, so weisen die Widerslande 1 und 2 Raumtemperatur auf.da die Erwärmung der Widerstände durch den Meßstrom sehr gering ist und daher bei dieser Betrachtung nicht berücksichtigt werden muß. Unter dem Einfluß der Wärmestrahlung erwärmt sieh der Widerstand 1. Durch die thermisch enge Kopplung /wischen den Widerständen t und 2 erwärmt sich aber auch sukzessive der Widerstand 2. Die Temperaturmessung gehl daher in die Messung eines Temperaturgraciienten zwischen den Widerständen 1 und 2 über, der aber primär eine Funktion der Wärmestrahlung auf den Widerstand 1 ist. Die Temperatur des Widerstandes 2 kann also unter Umständen auch von der Raumtemperatur abweichen. Indessen ist die Temperaturdifferenz

Δ T von Widersland 1 zu Widerstand 2 cmc genau definierte Funktion der Wärmestrahlung. Dieser durch die Wärmestrahlung verursachte Temperaturverlauf, in Funktion der Zeit, ist in F i g. 3 als Kurve 9 für den Widerstand 1 und als Kurve 10 für den Widerstand 2 dargestellt. Fig.4 zeigt schematisch die konstruktive Ausbildung von thermisch gekoppelten Widerständen. In diesem Beispiel sind die beiden Widerstände 1 und 2 aus einem einzigen Stück Widerstandsmaterial 12 gefertigt und daher thermisch sehr eng gekoppelt. Es könnte /.. B. ein zylindrischer Widerstandskörper mit den Anschlüssen 5 und 7 an beiden Enden und einem Mittclabgriff 6 verwendet werden. Die Wärmestrahlung 11 darf dabei nur eine Hälfte des gesamten Widerstandskörpers treffen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines U-förmigen Körpers 13 aus Widerstandsmaterial mit an den Stirnflächen der Schenkel angebrachten Anschlüssen 6, 8 und einem Mittelabgriff 5 am Verbindungssteg. Einer der Schenkel ist mit der Wärmestrahlung 11 beaufschlagt. Die thermische Kopplung ist wiederum so eng. weil der Körper 13 aus einem Stück gefertigt ist.

Die F i g. 6 und 7 zeigen weitere Beispiele von thermisch eng gekoppelten einstückigen Widerstandspaaren, wobei im Falle der F i g. 6 ein quaderförmiger Körper gezeigt ist. Die Widerstände der betreffenden Zweige der Meßbrücke werden an den Körpern 14 bzw. 15 durch geeignete Kontaktierung 5,6, 8 ausgebildet. In beiden Figuren ist der Stromfluß durch strichlierte Linien schematisch eingetragen.

Um das Brückensignal zu erhöhen, können, wie in Fig.8 angedeutet, sowohl der Widerstand 1 als auch 4 bestrahlt werden. Selbstverständlich sind dann die Widerstandspaare 1, 2 bzw. 3, 4 gleichartig auszubilden.

Eine entsprechende Kombination ist auch mit den Widerständen 2 und 3 möglich.

F i g. 9 zeigt in schematischer Weise die konstruktive Ausbildung einer derartigen Meßanordnung. Während in den Beispielen in Fig.4 bis 7 nur die Widerstände 1 und 3 thermisch eng gekoppelt sind, sind bei der Ausführungsform nach Fi g. 9 nun sämtliche Widerstände thermisch eng gekoppelt. Dadurch wird das

Verhältnis vom Nut/.signal zum Störsignal besonder günstig.

Die Ausführungsformen nach den Fig. 10 und unterscheiden sich von der konstruktiven Gestailiini nach F i g. 9 durch unterschiedliche Formcngcbiing de einteiligen Widerstandskörpers, wobei diese Fonngc bung entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen erfol gen kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmestrahlungsmeßgerät, bestehend aus einer Widerstandsmeßbrücke mit temperaturabhängigen Widerständen, von denen zumindest einer wenigstens teilweise einer Wärmestrahlung aussetzbar und diesem ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand zugeordnet ist der zur Kompensation der Umgebungstemperatur in der Nähe des der Strahlung ausgesetzten Widerstandes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das einander zugeordnete Paar von Widerständen aus einem blockförmigen Körper (13,14,15) besteht, der einseitig bestrahlt und auf der der bestrahlten Seite gegenüberliegenden Seite bezüglich der Strahlung abgeschirmt ist, und daß neben den bestrahlungsseitig und im Bereich der abgeschirmten Seite liegenden getrennten elektrischen Anschlüssen (6,8) ein gemeinsamer Anschluß (5) auf der den getrennten Anschlüssen gegenüberliegenden Seite des Körpers vorgesehen ist.

2. Wärmestrahlungsmeßgeräl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der blockförmige Körper (13) U-förmig ausgebildet ist. wobei die getrennten Anschlüsse (6,8) an den freien Enden der Schenkel vorgesehen sind und der gemeinsame Anschluß (5) am Verbindungsteil der beiden Schenkel angebracht ist.

3. Wärmestrahlungsmeßgerät nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der blockförmige Körper die Form eines Quaders (14) oder eines Pyramidenstumpfes (15) aufweist, wobei der gemeinsame Anschluß (5) an einer Endfläche vorgesehen ist und die getrennten Anschlüsse (5, 6) an «der im Bereich der dieser Endfläche gegenüberliegenden Endfläche mit gegenseitigem Absland angebracht sind.

4. Wärmestrahlungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (1, 2, Ϊ, 4) der Meßbrücke jeweils paarweise in einem blockförmigen Körper zusammengefaßt und diese beiden Körper großflächig aneinander liegen und thermisch eng gekoppelt sind.

5. Warmestrahlungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Widerstände (1, 2, 3, 4) der Widerstandsmeßbrücke in einem einzigen blockförmigen Körper mit gegenseitig beabstandeten Anschlüssen zusammengefaßt sind.