DE2821828C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung des Absorptionsgrades für Infrarotstrahlung von Materialproben entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der US-PS 27 07 881 ist ein mit zwei Radiometern arbei­ tendes Gerät zur Messung der Temperatur und des Emissions­ vermögens einer zu untersuchenden Oberfläche bekannt. Das Radiometer 1 befindet sich auf Umgebungstemperatur, das Radiometer 2 wird auf einen die Raumtemperatur um etwa 15° übersteigenden Wert aufgeheizt. Der Temperaturunterschied zwischen beiden Radiometern und der Probenoberfläche ist gering, so daß die Kurven für die Energieverteilung in Ab­ hängigkeit von der Wellenlänge für beide Fälle nahezu gleich sind. Diese Forderung nach geringen Temperaturunterschieden führt dazu, daß die Temperatur des beheizten Radiometers sich nahe der Raumtemperatur befindet und somit auch der Temperatur des nicht beheizten Radiometers angenähert ist. Zur Durchführung von Messungen mit dem bekannten Gerät ist folglich ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Radiometern und der Oberfläche des Prüfkörpers unerläßlich. Selbst wenn der Prüfkörper sich auf Raumtemperatur befindet, ist zur Benutzung der in der genannten Druckschrift angege­ benen Gleichungen der vom nicht beheizten Radiometer zu ent­ nehmende Temperaturwert unerläßlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung des Absorptionsgrades der eingangs angegebenen Bauart dahingehend weiterzubilden, daß es baulich einfacher wird und sich zur Durchführung von schnellen Messungen mit geringem Aufwand eignet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

Aufgrund dieser Bauform entsteht eine sehr einfach herzu­ stellende und auch bequem zu handhabende Meßsonde, die vom Benutzer an jeder beliebigen Stelle und in jeder beliebigen Richtung gegen eine zu untersuchende Oberfläche angesetzt werden kann, so daß sich dann sofort die erwünschte Messung durchführen läßt.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo bei der Temperatur­ messung nur Temperaturunterschiede gemessen werden können wird bei Anwendung des Gerätes gemäß der Erfindung der Absorptionsgrad oder Emissionsgrad eines Probekörpers bei Raumtemperatur un­ mittelbar gemessen. Ein verhältnismäßig hoher Temperaturwert, auf den die Thermosäule oberhalb der Raumtemperatur aufge­ heizt wird, sorgt für eine hinreichende Genauigkeit der Messungen auch dann, falls sich die Raumtemperatur während des Meßbetriebes geringfügig ändern sollte. Indem man mit Hilfe von wenigstens zwei Probekörpern, deren Absorptions­ koeffizienten zuvor z. B. mittels eines kalorimetrischen Verfahrens unter Vakuum genau gemessen worden sind eine Übereinstimmung zwischen den Anzeigenwerten der an der Ther­ mosäule auftretenden Spannungen und den bekannten Absorpti­ onskoeffizienten herstellt, fällt es nunmehr leicht, daraus den Absorptionsgrad jedes anderen Probekörpers zu bestimmen, wozu in sämtlichen Fällen immer nur eine Messung und die daraus entstehende Anzeige notwendig sind. Die erforder­ liche konstante Heiztemperatur sorgt für einen gleich blei­ benden Spannungsausgang der Thermosäule im Ruhezustand. So­ bald die Meßsonde auf eine Materialprobe aufgesetzt wird, entsteht aufgrund des von der Probe reflektierten Anteils der von der Thermosäule stammenden Strahlung eine Tempera­ turänderung und damit eine Spannungsänderung während der einige Sekunden dauernden Messung, die ausreicht, um an der geeichten Anzeige unmittelbar den gesuchten Absorptionsgrad ablesen zu können. Kenntnisse über Absorptions- oder Emissi­ onsgrade bezüglich der Infrarotstrahlung sind auf zahlrei­ chen technischen Gebieten nützlich, zum Teil auch unerläß­ lich, z. B. bei der Berechnung der Wärmeisolation von Ge­ bäuden oder auch in der Raumfahrt bei der passiven und ther­ mischen Überwachung von Satelliten.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik gehört zum Gegenstand der Erfindung außerdem ein Gerät zur Messung des Absorptionsgrades für Infrarotstrahlung von Materialproben, mit einer Meßsonde, die einen Hohlraum mit einer unteren Öffnung enthält, eine der Öffnung gegenüber­ liegende empfindliche Oberfläche einer als Spannungsquelle genutzten Thermosäule, die in einem vom Hohlraum abgetrenn­ ten Heizraum angeordnet ist, ferner einen Heizwiderstand zur Beheizung der Thermosäule und einen Temperaturfühler zur Ausführung des eingangs bezeichneten Verfahrens. Dieses Ge­ rät unterscheidet sich vom genannten Stand der Technik kenn­ zeichnend dadurch, daß der Hohlraum der Meßsonde blank me­ tallisch reflektierend ausgeführt ist, daß die Thermosäule im Heizraum in Wärmeisolierungsmaterial eingebettet und von dem am Umfang des Heizraums angeordneten Heizwiderstand um­ geben ist, daß die Meßsonde mit einem den Hohlraum umgren­ zenden und ihn nach unten abschließenden unteren Rand direkt auf die Materialprobe aufsetzbar ist, und daß eine Anschluß­ leitung zur Übertragung der an der Thermosäule auftretenden Spannungsänderung an ein Anzeigegerät geführt ist.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens und des Meßgerätes gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine zum Meßgerät gemäß der Erfindung gehörenden Meßsonde,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild für ein Signalverar­ beitungs- und -anzeigegerät und

Fig. 3 eine schematische Übersicht über das Meßgerät mit mehreren Materialproben.

Eine Meßsonde 1 enthält eine Thermobatterie mit einer em­ pfindlichen Oberfläche 5, die auf der Temperatur eines Heizraums 7 gehalten wird und in einen Hohlraum 2 strahlt. Die Wandungsoberflächen des Hohlraums sind vergoldet und poliert, und die Strahlung der Thermobatterie gegenüber sämtlichen anderen Strahlungen mit Ausnahme derjenigen Strahlung zu isolieren, die von einer auf einen beliebigen unabhängigen Träger 9 aufliegenden und die Unterseite des Hohlraums 2 verschließenden Materialprobe ausgeht bzw. re­ flektiert wird. Die Stirnseite der Meßsonde kann mit einer elastischen Anlagedichtung 3 versehen sein. Eine Wärmeiso­ lierung 8 dient zur Beseitigung von Einflüssen aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur und zur Anwendung einer hinreichend genauen Temperaturregelung, um die Zuver­ lässigkeit der mit Hilfe der Meßsonde 1 ermittelten Werte zu gewährleisten. Der Heizraum 7 enthält einen Temperatur­ fühler 14, mit dem der in einem Heizwiderstand 10 aufgenom­ mene Strom gesteuert und die Thermobatterie auf einem vor­ bestimmten Temperaturwert gehalten wird, der vorzugsweise zwischen 60° und 80°, beispielsweise auf 70° eingestellt wird.

Wenn die Meßsonde 1 auf die Oberfläche eines Probekörpers aufgesetzt wird, nimmt das empfindliche Element 5 der auf eine genaue Temperatur eingestellten Thermobatterie einer­ seits die Infrarot-Eigenstrahlung des auf Umgebungstempera­ tur befindlichen Probekörpers und andererseits die von der Thermobatterie ausgehende und von der Probe reflektierte Strahlung auf, wobei die Eigenstrahlung der Probe im Ver­ hältnis zur reflektierten Strahlung sehr gering ist. Demzu­ folge erzeugt die Temperaturänderung an den Klemmen der Thermobatterie, aus der man schnell und zuverlässig den Ab­ sorptionsgrad des Probekörpers errechnen kann.

Die zur Meßsonde 1 gehörenden elektrischen Schaltungsbau­ teile sind in Fig. 2 innerhalb eines die Meßsonde mit un­ terbrochenen Linien andeutenden Kreises dargestellt. Der Meßfühler 14 besteht aus einem Transistor, dessen Kennlinie für die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Temperaturän­ derungen so beschaffen ist, daß im Bereich der bei den Mes­ sungen auftretenden Temperaturen große Spannungsänderungen entstehen.

Der Kollektorkreis 15 des Transistors 14 ist auf 3 V und der Basiskreis auf 500 mV vorgespannt. Unter diesen Bedin­ gungen modulieren die auf den Meßfühler 14 einwirkenden Temperaturänderungen den Strom des Emitterkreises 17, der in einem Verstärker 18 verstärkt wird.

Um die Temperatur des Heizraumes 7 und damit diejenige der durch die empfindliche Oberfläche 5 angedeuteten Thermobat­ terie zu steuern und die Thermobatterie auf etwa 60°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 vergli­ chen, das von einem Verstärker 21 eines Steuerkreises 36 geliefert wird. Zu diesem Zweck ist der Ausgang 19 des Ver­ stärkers 18 an einen Eingang des Verstärkers 21 angeschlos­ sen. Das am Ausgang 20 des Verstärkers 21 abnehmbare Diffe­ renzsignal ist ein Maß für die Temperaturänderung des Heiz­ raumes 7 und wird in einem Verstärker 22 verstärkt, dessen Ausgang 23 über eine Diode 24 an den Vorspannkreis für die Basis eines Transistors 13 angeschlossen ist.

Der Transistor 13 steuert einen Verstärkertransistor 12, der mit dem Heizwiderstand 10 in Reihe liegt und den Strom zur Beheizung des Heizraumes 7 regelt. Eine Klemme 11 der zum Heizwiderstand 10 führenden Leitung 38 ist an eine Klemme +10 V einer Stromversorgung von 10 V, 1 A ange­ schlossen, und die Leitung 38 steht außerdem mit dem Kol­ lektor des Transistors 13 in Verbindung, von dessen Emitter 39 aus die Basis des Verstärkertransmittors 12 gesteuert wird, der über seinen Kollektoranschluß 40 mit dem Heizwi­ derstand 10 in Reihe liegt.

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 und sind von den Einflüssen des Ausgleiches der Infrarot­ strahlung zwischen der empfindlichen Oberfläche 5 der Ther­ mobatterie und des Probenkörpers abhängig. Die Spannungen werden vom Verstärker 27 ungefähr 200fach verstärkt, der durch ein Potentiometer 35 gesteuert wird. Der Ausgang des Verstärkers 27 ist über ein Potentiometer 41 an ein Voltme­ ter 4 angeschlossen, das gemäß Fig. 3 die den Spannungsän­ derungen der Thermobatterie 37 entsprechenden numerischen Werte anzeigt.

Nachdem vorab einmal durch Zuordnung der am Voltmeter 4 oder irgendeiner anderen Anzeigeeinrichtung angegebenen Spannung zu entsprechenden Werten des Absorptionsgrades einer Folge von Proben mit genau bekannten Absorptionsgrad­ werten das Meßgerät 28 gemäß Fig. 3 geeicht worden ist, braucht man vor Inbetriebnahme nur noch seine Eichung mit Hilfe von zwei bekannten Proben 31 und 32 überprüfen, von denen z. B. die eine auf dem Voltmeter eine Anzeige mit dem Wert 0 und die andere mit dem Wert 100 erzeugt.

Nach Anschließen der Leitung 29 an eine Stromquelle und nach Herbeiführung des Gleichgewichtszustands der Heizraum­ temperatur wird der Stellknopf 34 des Potentiometers so be­ tätigt, daß am Voltmeter 4 der Wert 0 erscheint, wenn der Absorptionsgrad der bekannten Probe 31 gemessen wird, wäh­ rend bei der Messung des Absorptionsgrads der bekannten Probe 32 der Stellknopf des Potentiometers 35 so einge­ stellt wird, daß am Voltmeter der Wert 100 erscheint. Unter Verwendung einer Bezugstabelle kann man nunmehr sehr schnell mit Genauigkeit den Absorptionsgrad beliebiger Pro­ ben 33 bestimmen, indem man dort die Meßsonde 1 entspre­ chend Fig. 3 aufsetzt. Der so aufgebaute Absorptionsgrad­ messer arbeitet besonders schnell und zuverlässig, da Fehl­ messungen verursachende Einflüsse aufgrund von Konvektion und aufgrund von Wärmeleitung vernachlässigbar sind.

Der Rahmen der Erfindung wird nicht verlassen, wenn das Meßgerät oder Teile davon durch gleichwirkende Einrich­ tungen ersetzt werden, unabhängig davon, ob es sich dabei um die Temperaturmeßfühler handelt, um die Steuerkreise für den Heizwiderstand des Heizraums 7, für die vorangehend und in Fig. 2 lediglich zum besseren Verständnis bestimmte Grö­ ßen angegeben sind, oder um das Anzeigegerät für die ermit­ telten Werte.

Insbesondere können der Verstärker 21 und seine Steuer­ schaltung 36 zur Abstimmung des Stromes in Temperaturfühler 14 innerhalb des Heizraums auf einen der gewählten Tempera­ tur entsprechenden, vorbestimmten Strom durch beliebige gleichwirkende Bauelemente ersetzt werden.

Obwohl der Aufbau der Meßsonde 1 mit der in Richtung auf die empfindliche Oberfläche 5 der Thermobatterie konisch konvergierenden Form des Hohlraums 2 für das Meßverfahren besonders zweckmäßig ist, läßt sich das Verfahren auch un­ ter Anwendung anderer Formen der Sonde durchführen, wobei der zylindrische Abschnitt beispielsweise durch eine andere Oberfläche ersetzt wird, insbesondere dann, wenn die Achse des Hohlraums mit der Mittelachse der Strahlung zusammen­ fällt, und die Thermobatterie dann in der Mitte des beheiz­ ten Hohlraumes angeordnet ist.

Claims (4)

1. Gerät zur Messung des Absorptionsgrades für Infrarot­ strahlung von Materialproben, dessen Meßsonde einen Hohlraum mit einer unteren Öffnung enthält, eine der Öffnung gegenüberliegende empfindliche Oberfläche einer als Spannungsquelle genutzten Thermosäule, aufweist, wird in einem vom Hohlraum abgetrennten Heizraum angeordnet ist, ferner mit einem Heizwiderstand zur Beheizung der Thermosäule und einem Temperaturfühler, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraum (2) der einzigen Meßsonde (1) blank metallisch reflektierend ausgeführt ist,
daß die Thermosäule (37) im Heizraum (7) wärmeisoliert eingebettet und von dem am Umfang des Heiz­ raums angeordneten Heizwiderstand (10) umgeben ist und
daß die Meßsonde mit einem den Hohlraum (2) umgrenzenden und ihn nach unten abschließenden unteren Rand (3) direkt auf die Materialprobe (33) aufsetzbar ist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (2) einen sich in Richtung seiner Öffnung ko­ nisch erweiternden Abschnitt aufweist, an den sich ein zylindrischer Abschnitt anschließt.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Hohlraums vergoldet und poliert sind.

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die auf eine bestimmte Temperatur auf­ geheizte empfindliche Oberfläche (5) der Thermosäule (37) am Boden des mit reflektierenden Oberflächen versehenen schachtförmigen Hohlraums (2) angeordnet ist, so daß im Hohlraum nur die zwischen der Thermosäule (37) und der Materialprobe (9) ausgetauschten Strahlungen wirksam sind.