DE2821828A1

DE2821828A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der infrarot-absorption oder -emission von materialien

Info

Publication number: DE2821828A1
Application number: DE19782821828
Authority: DE
Inventors: Michel Jean Riboulet; Gerard Robert Segui
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1977-05-20
Filing date: 1978-05-19
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1583934A; FR2391466B1; DE2821828C2; FR2391466A1; US4204120A

Description

DiPL-Ing.Wilfrid RAECK 98?

PATENTANWALT I O Δ

7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 · TELEFON (0711) 244003

Λ - C 109 -

CENTRE NATIONAL D¹ETUDES SPATIALES

129, rue de I¹Universite, 75007 Paris, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Infrarot-Absorption oder -emission von Materialien

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen und genauen Messung des Absorptionsfaktors oder Emissionsfaktor s für Infrarot von Materialien, insbesondere von Beschichtungen oder Verkleidungen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Kenntnis des Absorptionsfaktors oder Emissionsfaktors für Infrarot ist auf zahlreichen Gebieten unerlässlich, z.B. bei der Berechnung und Auslegung der Wärmeisolation von Gebäuden oder auch in der Raumfahrt bei der passiven thermischen überwachung und Steuerung von Satelliten. Indessen sind sämtliche bekannten Meßverfahren des einen dieser Faktoren verhältnismäßig schwierig durchzuführen und erfordern einen größeren Zeitaufwand. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Absorptionsfaktors oder Emissionsfaktors

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anzugeben, bei dem man von der Messung der Infrarot-Reflexion einer Probe ausgeht und das sich mit einem geringeren Aufwand und schneller als die bisher bekannten Verfahren durchführen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das empfindliche Element einer Thermobatterie, das bei einer oberhalb der Umgebungstemperatur liegenden bestimmten Temperatur Strahlung aussendet, der Eigenstrahlung der Probe bei der Umgebungstemperatur sowie der von der Thermobatterie ausgehenden und durch die Probe reflektierten Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, und daß dann die von der Thermobatterie gelieferte resultierende Spannung gemessen wird.

Indem man mit Hilfe einer Folge von Proben, deren Absorptionsfaktoren oder Emissionsfaktoren mittels einer kalorimetrischen Methode unter Vakuum genau gemessen worden sind, die bestehende Übereinstimmung zwischen den Messungen der für jede dieser Bezugsproben an der Thermobatterie auftretenden Spannungen und den Werten der Emissionsf-aktoren dieser Proben bestimmt hat, fällt es nunmehr sehr leicht, daraus das Emissionsvermögen oder Absorptionsvermögen jeder neuen Probe abzuleiten, die in das Feld der Infrarotstrahlung der Thermobatterie eingesetzt wird, da dieses Strahlungsfeld durch einfache Messung des von der Thermobatterie gelieferten Spannungswertes gut bestimmt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die strahlende Oberfläche des empfindlichen

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Elementes der Thermobatterie und die Bezugselemente der Thermobatterie, die auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden, in dem Hohlraum eines Ofens angeordnet sind, wobei sich der Hohlraum am Boden eines Schachtes mit reflektierenden Oberflächen befindet, welche die Isolierung der zwischen der Thermobatterie und der Probe ausgetauschten Strahlungen gewährleisten.

Aufgrund dieses Vorschlages ergibt sich eine sehr einfach herzustellende und zu handhabende Sonde, da dem Ofen und den den Hohlraum umgrenzenden Wandungen nur eine Form gegeben zu werden braucht, bei der sie direkt mit den Rändern der Wandungen auf die Probe aufgesetzt werden kann, worauf sich sofort die erwünschten Messungen durchführen lassen. Eine derartige Anordnung ermöglicht darüberhinaus eine genau bestimmte Entfernung zwischen der Probe und der empfindlichen Oberfläche der Thermobatterie sicherzustellen bzw. einzuhalten, was ebenfalls zur Genauigkeit der Messungen beiträgt.

Die Genauigkeit der Messungen läßt sich erfindungsgemäß dadurch steigern, daß man für den Gesamtaufbau der Sonde eine Wärmeisolierung vorsieht und in die Heizleitung oder in den Heizkreis des Ofens eine Temperatursteuereinrichtung einfügt, um die Thermobatterie auf einer ausreichend konstanten Temperatur zu halten und damit eine konstante Infrarotstrahlung zu erzeugen.

Dies Merkmal ist auch insofern vorteilhaft, als nach Erreichen der Bezugstemperatur die Schnelligkeit der Messungen des Absorptionsfaktors für eine Reihe von Proben erhöht werden kann, wobei jede Messung beispielsweise

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innerhalb einer Zeitdauer von einigen Sekunden durchgeführt wird, da die Strahlungstemperatur automatisch konstant gehalten wird. Sehr kurze Meßzeiten ermöglichen wiederum die Ausschaltung von Einflüssen aufgrund des Wärmeübergangs und der Leitfähigkeit von Gasen, die das erzielte Temperaturgleichgewicht durch Strahlungsaustausch an der empfindlichen Oberfläche der Thermobatterie stören. Das Aufheizen der in den Wandungen der Wärmeisolation eingefangenen Luft sowie die Temperaturerhöhung der Probe aufgrund der von der Thermobatterie kommenden absorbierten Energie führt tatsächlich nur zu einem allmählichen Abdriften der Messung am Ende einer Zeitdauer von ungefähr 30 Sekunden, d.h. am Ende einer Zeitdauer, die wesentlich größer als die Meßzeitdauer ist. Daraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Sonde in der Lage ist, eine Spannung zu liefern, die lediglich von dem Infrarot-Absorptionsvermögen der in Messung befindlichen Oberfläche abhängig ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist weitergebildet durch.ein Meß- und Anzeigegerät für die Spannung der Thermobatterie, das Eicheinrichtungen aufweist, um eine direkte Ablesung der jeweiligen Spannung und des davon abgeleiteten Absorptionsfaktors ermöglicht. Unabhängig von der Umgebungstemperatur, die aufgrund des Aufbaues stets unterhalb der Temperatur der Sonde liegt, kann man die von dem Gerät angezeigten Spannungen für zwei Proben miteinander vergleichen, woraus man das Absorptionsvermogen mit Genauigkeit ableiten kann, wenn die eine Probe einen niedrigen Wert und die andere einen erhöhten Wert besitzt und man damit das Gerät eicht.

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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch die Meßsonde gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild der Vorrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht der gesamten Vorrichtung.

Eine Sonde 1 enthält im wesentlichen eine Thermobatterie, deren empfindliche Oberfläche an der Stelle 5 eingezeichnet ist. Die Oberfläche 5 strahlt bei der Temperatur des Ofens 7 in den Hohlraum 2, deren Wandungsoberflächen poliert und vergoldet sind, um die Strahlung der Thermobatterie gegenüber sämtlichen anderen Strahlungen zu isolieren bzw. abzuschirmen, mit Ausnahme der Strahlung von Proben, die man zwischen einem beliebigen unabhängigen Träger 9 und den äußeren Begrenzungen der Wandungen des Hohlraums 2 einsetzt, wobei die Unterseite der Wandungen vorzugsweise mit einem elastischen Körper 3 versehen ist. Eine geeignete Wärmeisolierung 8 dient zur Beseitigung von Einflüssen aus der Veränderung der Umgebungstemperatur und ermöglicht die Anwendung eines Steuerkreises für eine ausreichend genaue Temperaturregelung, um die Zuverlässigkeit der mit der Sonde 1 durchgeführten Messungen sicherzustellen. Zu diesem Zweck enthält der Ofen einen Temperaturfühler 14, dessen Reaktionen zur Steuerung des in einem Heizwiderstand 10

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fließenden Stromes ausgenutzt werden und der die Thermobatterie auf einer vorbestimmten Temperatur hält, die vorzugsweise zwischen 60° und 80 , beispielsweise auf 70° C eingestellt wird.

Das empfindliche Element 5 der Thermobatterie, das sich auf einer genau definierten Temeperatur befindet, nimmt somit, wenn die Sonde über die Oberfläche der Probe gesetzt wird, einerseits die Infrarot-Eigenstrahlung der auf Umgebungstemperatur befindlichen Probe und andererseits die von der Thermobatterie ausgehende und von der Probe reflektierte Strahlung auf, wobei die Eigenstrahlung der Probe im Verhältnis zu der reflektierten Strahlung sehr gering ist. Daraus folgt, daß die Temperaturänderung, der das empfindliche Element 5 unterliegt, an den Klemmen der Thermobatterie eine Spannungsänderung erzeugt, aus der man schnell und zuverlässig das Absorptionsvermögen der Probe bestimmen kann.

Ein Schaltungsaufbau gemäß einer Ausführungsform der Sonde ist in Fig. 2 dargestellt. Der Meßfühler 14 besteht aus einem Transistor, dessen Spannungsausgangskennlinie in Abhängigkeit von Temperaturänderungen ermöglicht, daß im Bereich der angewendeten Temperaturen große Spannungsänderungen erzeugt werden.

Der Kollektorkreis 15 des Transistors 14 ist auf 3 Volt und der Basiskreis 16 auf 500 mV vorgespannt. Unter diesen Bedingungen modulieren die auf den Transistor 14 einwirkenden Temperaturänderungen den Strom des Emitterkreises 17, der mit Hilfe eines Verstärkers 18 verstärkt

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Λ*

wird. Um die Temperatur des Ofens 7 und damit die der durch die empfindliche Oberfläche 5 schematisch angedeuteten Thermobatterie zu steuern und somit die Thermobatterie in der Größenordnung von etwa 50 C oberhalb der Umgebungstemperatur zu halten, und zwar im vorliegenden Beispiel bei 70 C mit einer Toleranz von +0,1 C wird das am ausgang 19 des Verstärkers 18 zur Verfügung stehende Signal mit einem Bezugssignal verglichen, das von einem Verstärker 21 eines Steuerkreises 36 geliefert wird. Zu diesem Zweck ist der Ausgang 19 des Verstärkers 18 an den Eingang des Verstärkers 21 angeschlossen. Das am Ausgang 20 des Verstärkers 21 zur Verfügung stehende Differenzsignal ist kennzeichnend für die Temperaturänderung des Ofens und wird in einem Verstärker 22 verstärkt, dessen Ausgang 23 übereine Diode 24 an die Vorspannungsschaltung für die Basis eines Transistors 13 angeschlossen ist. Der Transistor 13 steuert einen Verstärkertransistor 12, der mit dem Halswiderstand 10 in Reihe liegt und die Größe des zur Beheizung des Ofens 7 dienenden Stroms festlegt. Die Klemme 11 der an den Heizwiderstand 10 geführten Leitung 38 ist an eine Klemme + 10 V einer Stromversorgung mit 10 V, 1 A angeschlossen, wobei die Leitung 38 außerdem mit dem Kollektor des Transistors 13 in Verbindung steht, von dessen Emitter 39 aus die Basis des Verstärkers 12 gesteuert wird, der über seinen Kollektoranschluß 40 mit dem Heizwiderstand 10 in Reihe geschaltet ist.

Im Betrieb liegen die an den Klemmen 26 der Thermobatterie 37 (deren empfindliche Oberfläche 5 in Fig. 1 gezeigt ist) auftretenden Spannungen in der Größenordnung von Millivolt

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/J/l

und hängen von den Einflüssen des Ausgleiches der Infrarotstrahlung zwischen der empfindlichen Oberfläche 5 der Thermobatterie und der Probe ab. Die Spannungen werden ungefähr 2OO-fach durch den Verstärker 27 verstärkt, der durch ein Potentiometer 35 gesteuert wird. Der Ausgang des Verstärkers 27 ist über ein Potentiometer 41 an ein Voltmeter 4 angeschlossen, das die numerischenWerte anzeigt, die den Spannungsänderungen derThermobatterie 37 entsprechen.

Nachdem einmal die Übereinstimmung zwischen den durch das Voltmeter 4 oder irgendeine andere Anzeigeeinrichtung angegebenen Spannungen und den entsprechenden Werten des Absorptionsvermögens einer Folge von Proben hergestellt worden ist, von denen man die Absorptionswerte genau kennt, braucht man vor Inbetriebnahme der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 28 nur noch seine Eichung mit Hilfe von zwei bekannten Proben 31 und 32 zu überprüfen, von denen die eine beispielsweise dem Wert 0 auf dem Voltmeter und die andere dem Wert 1OO entspricht. Nach Anschließen der Anschlußleitung 29 an eine Stromquelle und nach überprüfung, daß der Ofen sich in einem Gleichgewichtszustand befindet, wird der Stellknopf 34 des Potentiometers so betätigt, daß am Voltmeter 4 der Wert 0 erscheint, wenn das Absorptionsvermögen der bekannten Probe 31 gemessen wird, während bei der Messung des Absorptionsvermögens der bekannten Probe 32 der Stellknopf des Potentiometers 35 so eingestellt wird, daß der Wert 100 erscheint. Unter Verwendung einer Bezugstabelle kann man nunmehr sehr schnell mit Genauigkeit das Absorptionsvermögen einer beliebigen Probe 33 bestimmen, indem man die Sonde 1 entsprechend Fig. 3 auf diese Probe aufsetzt. Der in dieser Weise aufgebaute Absorptionswertmesser arbeitet besonders schnell und zuverlässig, da die Fehlmessungen

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¹Q,

verursachenden Einflüsse aufgrund von Konvektion und .aufgrund von Wärmeleitung vernachlässigbar sind.

Es versteht sich, daß der Rahmen der Erfindung nicht verlassen wird, wenn die Vorrichtung oder Teile davon durch gleichwirkende Einrichtungen ersetzt werden, unabhängig davon, ob es sich dabei um die Temperaturmeßfühler, um die Steuerkreise für den Heizwiderstand des Ofens handelt, für die vorangehend und in Fig. 2 lediglich aim besseren Verständnis bestimmte Größen angegeben worden sind, oder um das Anzeigegerät für die ermittelten Werte.

Insbesondere können der Verstärker 21 und seine Steuerschaltung 36 zur Vergleichsbestimmung des Stromes im Transistor 14 innerhalb des Ofens mit einem für die ausgewählte Temperatur kennzeichnenden vorbestimmten Strom durch beliebige gleichwirkende Bauelemente ersetzt werden.

Obwohl der Aufbau der Sonde und auch die konische, in Richtung auf das empfindliche Element 5 der Thermobatterie konvergierende Form bei dem Meßverfahren besonders zweckmäßig sind, läßt sich die Erfindung auch unter Anwendung einer anderen Formgebung der Sonde ausführen, wobei der zylindrische Abschnitt beispielsweise durch eine andere Oberfläche ersetzt wird, insbesondere dann, wenn die Achse des Hohlraums mit der Mittelachse der Strahlung zusammenfällt, wobei die Thermobatterie dann in der Mitte des Ofens bzw. in der mitte des beheizten Hohlraumes angeordnet wird.

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Leerseife

Claims

D;pl.-Ing.Wilfrid RAECK 9P91Q9Ö

PATENTANWALT / O Z I O Z

7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 ■ TELEFON (0711) 244003

CENTRE NATIONAL D¹ETUDES SPATIALES

75007 Paris, Frankreich - C 109 -

Patentansprüche

1J Verfahren zur Bestimmung des Absorptionsfaktors oder Emissionsfaktors für Infrarotstrahlung einer Materialprobe, bei dem die Spannung einer einzigen Thermobatterie gemessen wird, die der Infrarotstrahlung einer sich auf Umgebungstemperatur befindlichen Materialprobe ausgesetzt ist und die man ausschließlich der Strahlung einer Thermobatterie bei einer gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhten Temperatur aussetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermobatterie vor Beginn jeglicher Messung auf eine vorbestimmte konstante Temperatur gebracht wird, die oberhalb der veränderlichen und auf beliebigem Wert befindlichen Umgebungstemperaturen liegt, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur, bei der die Wärmebatterie gehalten wird, :

liegt.

wird, in der Größenordnung zwischen 60° und 80° C

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Thermobatterie auf einer feststehenden Temperatur von etwa 70° C gehalten wird.
4. Absorptionswertmeßgerät für Infrarotstrahlung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Meßsonde (1 ) ein beheizter, nach unten offener Hohlraum (2) einen der Thermobatterie (5) benachbarten Abschnitt aufweist, der sich in Richtung auf die Thermobatterie konisch verengt oder verjüngt.
5. Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Hohlraums (2), die sich an die Unterseite des konischen Abschnittes anschließt, eine zylindrische Form aufweist.
6. Meßgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermobatterie (5), die gegenüber dem Heizwiderstand (10) des Ofens (7) durch eine Wärmeisolierung geschützt ist, derart in der Mitte des Ofens (7) angeordnet ist, daß die Mittelachse der Strahlung mit der Achse des Hohlraums (2) zusammenfällt.
7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung für den Heizwiderstand (10) durch einen innerhalb des Ofens (7) angeordneten Temperaturmeßfühler (14) steuerbar ist.
8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmeßfühler (14) ein Transistor ist.

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9. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen des dem Heiawiderstand (10) zugeführten Stroms aus einer Verstärkung der Abweichung zwischen dem von dem Temperatursteuer-Transistor (14) gelieferten Strom sowie dem Strom einer Bezugsschaltung (36). herstellbar bzw. erhältlich sind, der für eine bestimmte theoretische, oberhalb der Umgebungstemperatur liegende Temperatur kennzeichnend ist.
10. Meßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung für den Wert 0 des Anzeigegerätes (28) sowie durch eine Regeleinrichtung für den Wert 100 derart, daß man zwei Probematerialien mit bekannten Absorptionswerten benutzt, wobei die eine Probe zur Eichung der Vorrichtung auf den Wert 0 und die andere Probe zur Eichung auf den Wert 100 dient, so daß mit Hilfe einer Korrespondenz-Tabelle der Absorptionswert für jede beliebige Probe mit einem dazwischenliegenden Wert der angezeigten Spannung bestimmbar ist.

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