DE7247046U

DE7247046U - Infrarotstrahlung emittierende vorrichtung

Info

Publication number: DE7247046U
Application number: DE19727247046
Authority: DE
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1973-03-29
Also published as: FR2165247A5; IT970131B; BE790954A; GB1409540A

Description

DlpUng. Egon Prim : .:.. Dr. Gertrud Haus·» „„ _mmgk9m „, 2 0. DeZ. 1972 (f) Dlpl.-lng. Gottfried L«ls«r Ern.b.,₉.,,.,.e. i» Patentanwälte

·; Ubyrlnth München Talafon: U1510 Patodiadckonto: MOndwn 117071

Compteurs Schlumberger
12 Place des fltats-Unis

92 - Montrouge
Prankreich

Unser Zeichen: G 2932

Infrarotstrahlung emittierende Vorrichtung

j)ie Erfindung betrifft eine Infrarotstrahlung emittierende Vorrichtung, die insbesondere dann von Vorteil ist, wenn eise sehr große Stabilität des emittierten Infrarotstrahlungs-'Stroms erwünscht ist.

Die bisher verwendeten Infrarotstrahlung emittierenden Vorrichtungen bestehen im allgemeinen aus einem Heizdraht, der auf ein Rohr aus feuerfestem Material gewickelt ist. Durch diesen Heizdraht wird ein elektrischer Strom geschickt, so daß er durch den Joulebchen Effekt auf eine hohe Temperatur gebraoht wird. Bei einer ersten Art solcher Vorrichtungen sind der Heizdraht und das Rohr in einem Gehäuse angebracht, das mit einem Reflektor und einem Fenster versehen ist, das die von dem Heizdraht emittierte Infrarotstrahlung ganz oder teilweise durohläßt. Der Heizdraht ist dadurch vor den Wirbeln der Umgebungsluft gesohützt. Jedoch verflüchtigt sich

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der Heizdraht langsam, wodurch der Reflektor und das Fenster ' verschmutzt werden: die Infrarotstrahlungsemission nimmt im Lauf der Zeit languam ab, und der emittierte Infrarotlichtstrom ist daher nicht stabil.

Bei einer zweiten Art von Infrarotstrahlung emittierenden Vorrichtungen gibt eine aus feuerfestem Material hergestellte Buchse den Heizdraht, der die Buchse erwärmt. Die Buchse emittiert dann die gewünschte Infrarotstrahlung. Wenn der emittierte Infrarotlichtstrom für eine präzise Messung ver-

Γ") wendet werden soll, beispielsweise eine spektroskopische Analyse durch Infrarotstrahlungsabsorption, muß der Infrarotstrahlungssender in sehr stabiler Weise in Bezug auf die Meßvorrichtung befestigt sein, da eine Änderung der Lage des Senders in Bezug auf die Meßvorrichtung die von der Vorrichtung empfangene Strahlungsmenge beeinflußt. Je nach der Art des Infrarotstrahlungssenders legt man dann entweder das Rohr, um das der Heizdraht gewickelt ist oder die Buchse starr in Bezug auf das Gehäuse des Senders fest. Dann entstehen jedoch beträchtliche Wärmeverluste durch Wärmeleitung über die Befestigungsmittel der Buchse. Dadurch wird die Stabilität der emittierten Infrarotstrahlungemenge sehr stark beeinflußt, denn es läßt sich zeigen,

^v-· wie später im Verlauf der Beschreibung noch geschieht, daß die Temperatur des Heizdrahts umso empfindlicher für Temperaturschwankungen des äußeren Mediums ist, je größer die Wärmeverluste durch Wärmeleitung sind. Da es manchmal notwendig ist, eine Stabilität des emittierten Infrarotlichtströme in der Größenordnung von 10 zu erreichen, sind die beiden Arten von beschriebenen Vorrichtungen dann nicht geeignet.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Infrarotstrahlung emittierenden Vorrichtung, die besser als die

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bisher "bekannten Vorrichtungen die Anforderungen der Praxis erfüllt, insbesondere dadurch, daß ihre geometrische Stabilität sehr groß ist und die Schwankungen des emittierten Infrarotlichtstroms außerordentlich klein sind.

' Bei einer Infrarotstrahlung emittierenden Vorrichtung mit

' einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Rohr aus

hitzebeständigem Material, einem auf wenigstens einen Teil der Länge des Rohres aufgewickelten Heizdraht, dessen beide Enden mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden _: (^ werden können, und mit einer an einem Ende geschlossenen i Buchse aus hitzebeständigem Material, die den Heizdraht

i . umgibt, wird dies nach der Erfindung erreicht durch ein J für Infrarotstrahlung durchlässiges ebenes Fenster, das

^: im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Buchse in Be-

j rührung mit dem geschlossenen Ende der Buchse angeordnet

' ist, wobei eine der beiden in Berührung miteinander stehen-

i den Flächen die Form einer Spitze hat, und durch eine HaI-

I terung, welche einerseits das Fenster und die Buchse in Berührung miteinander hält und andererseits die Längsachse j des Rohres unbeweglich hält.

\ Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Buchse an

] ^v- einem Ende durch einen Kegel verschlossen; dessen Spitze

in einer im Fenster gebildeten Kerbe liegt.

ΐ Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die

Halterung eine biegsame Lamelle aufweist, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Rohres angeordnet und am Gehäuse befestigt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, deren einzige Figur einen Schnitt durch eine

Infrarotstrahlung emittierende Vorrichtung nach der Erfinr dung zeigt.

Ein Heizdraht 2, vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Metall wie einer Legierung aus 80% Nickel und 20$ Chrom, ist wendelförmig auf ein Rohr 4 gewickelt. Eine Buchse 6 umgibt den wendelförmig aufgewickelten Teil des Heizdrahts 2 koaxial zum Rohr 4 und ist am einen Ende durch einen Kegel 8 verschlossen. Dieser Kegel ist ebenso wie die Buchse 6 und das Rohr 4 aus einem feuerfesten Material gebildet, (") "beispielsweise aus Keramik, vorzugsweise auf der Basis von Aluminiumoxid. Die Spitze des Kegels 8 liegt in einer Kerbe 10, die in einem ebenen Fenster 12 gebildet ist, das für die Infrarotstrahlung durchlässig ist. Die Achse des Rohres 4 liegt im wesentlichen senkrecht zu dem Fenster 12.

Das obere Ende des Rohres 4 hat einen Außendurchmesser, der kleiner als der Durchmesser des übrigen Teils des Rohres ist, so daß eine Schulter 14 gebildet wird. Ein Zentrierstück 16 liegt auf dieser Schulter H auf, wodurch das Rohr 4 festgelegt ist. Der obere, kegelstumpfförmige Teil 18 des Zentrierstücks 16 stützt sich an den Rändern einer öffnung 20 in einer biegsamen Lamelle 22 ab, die durch eine Schraube 24 am Gehäuse 26 der Vorrichtung befestigt ist.

Das dem Kegel 8 abgewandte Ende der Buchse 6 ist durch einen Zement 28 mit hohem Aluminiumoxidgehalt dicht mit dem Rohr verbunden, das Rohr 4 ist am Zentrierstück 16 durch einen Zement 30, gleichfalls mit hohem Aluminiumoxidgehalt befestigt. Auf diese Weise ist die einzige mögliche Bewegung, welche die vom Heizdraht 2, dem Rohr 4, der Buchse 6 und dem Zentrierstück 16 gebildete Anordnung ausführen kann, eine Verschiebung parallel zur Längsachse des Rohres

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Diese Verschiebung ist jedoch sehr klein, well sie ausschließlich von der Ausdehnung des Rohres 4 und der Buchse 6 stammt, die durch die Erhitzung des Heizdrahtes 2 verursacht wird. Das Zentrlerstück 16 ist vollkommen durchbohrt, daiuit das Ende 32 des Holzdrahtes 2 aus dem Gehäuse 26 herausgeführt werden kann, während das andere Ende 34 durch das Innere des Rohres 4 herausgeführt ist.

Ein Reflektor 36, der aus rostfreiem Stahl hergestellt und am Gehäuse 26 durch nicht dargestellte Befestigungsmittel befestigt ist, umgibt die Buchse 6 and den Kegel 8 berührungsfrei. Der der Buchse 6 gegenüberliegende reflektierende Abschnitt 38 hat die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel in der Nähe von 90°, und der dem Kegel 8 gegenüberliegende reflektierende Abschnitt 40 hat die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel in der Nähe von 45°. Die große Grundfläche des vom Abschnitt 38 gebildeten Kegelstumpfes fällt mit der kleinen Grundfläche des vom Abschnitt 40 gebildeten Kegelstumpfes zusammen. Hit dieser Ausbildungsform des Reflektors 36 kann ein Infrarotstrahlungsbündel erhalten werden, das im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohres 4 liegt. Eine Dichtung 42, vorzugsweise aus einem flourierten Elastomere, ermöglicht eine Ausdehnung des Fensters 12, ohne daß es am Gehäuse 26 anstößt.

Das Gehäuse 26 und das Zentrierstück 16 können aus Metall bestehen. Das Fenster 12 kann aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material bestehen, das gegen Wärmeschocks beständig ist und sich für die Einarbeitung der Kerbe 10 eignet; dieses Material kann beispielsweise ein Halbleiter wie Germanium oder Silizium sein.

Die miteinander in Berührung stehenden Flächen der Buchse 6 und des Fensters 12 sind sehr klein, weil das Ende der Buchse

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in Form des Kegels 8;ausgebildet ist. Das Rohr 4 ist ausreichend lang, um das Zentrierstück 16 thermisch von der Buchse 6 zu isolieren. Dies hat zur Folge, daß die Strahlungsverluste durch Wärmeleitung praktisch vernachlässigbar sind und die Wärmeverluete durch Strahlung erfolgen. Dies ist ein sehr wichtiges Ergebnis, weil dadurch der Einfluß von äußeren TemperaturSchwankungen praktisch vernachlässigbar gemacht wird. Es sei beispielsweise eine Infrarotstrahlung emittierende Vorrichtung mit einer konstanten Wärmeleistung W (abgestrahlte Leistung) betrachvJ tet,,deren Strahlungsemittierendes Element (im vorliegenden Fall die Buchse 6) auf der absoluten Temperatur T liegt, während das umgehende Medium auf einer absoluten Temperatur To liegt. Als erster Fall sei angenommen, daß die Leistung W der Vorrichtung ausschließlich durch Wärmeleitung abgeführt wird. Dann gilt:

W = C ( T - To ) (1)

Darin ist Ü eine Konstante. Wenn sich die Umgebungstemperatur To ändert, ändert sich die Temperatur T also stets um den gleichen Betrag wie To.

Alp zweiter Fall sei nun angenommen, daß die Leistung W ausschließlich durch Strahlung abgeführt wird. Dann kann man schreiben:

W = k ( T⁴ - To⁴ ) (2)

Darin ist k eine Konstante. Es läßt sich zeigen, daß sich, T sehr viel weniger als To ändert. Wenn als Beispiel angenommen wird, daß T = 1000⁰K und daß sich To von 300⁰K auf 320⁰K ändert, zeigt die Anwendung der Gleichung (2),daß sich ' T von 1000⁰K auf 1000,6⁰K ändert, was einer Temperaturänderung

entspricht, die dreißig nal kleiner als bei Anwendung der . Gleichung (1) ist. Dadurch, daß bei der beschriebenen Vor

richtung die Wärmeverluste durch Wärmeleitung auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, erhält man also einen emittierten Infrarotstrahlungsstrom, der mit großer Präzision konstant ist.

Die Erfindung eignet sich vorteilhaft in allen Fällen, in

'\ denen eine ausgezeichnete Stabilität der emittierten Infra-

: ·.· . . rotstrahlung erhalten werden soll. Die Vorrichtung kann da-

V, f'~) her beispielsweise bei der Gasanalyse durch Infraforstrah-

J' lungsabsorption verwendet werden, wo der vom Analysator

; empfangene Infrarotstrahlungsstrora wegen der sehr geringen

; Absorption gewisser Gase äußerst stabil sein muß.

Bei dem zuvor beschriebenen und in der Zeichnung darge-

"■■' stellten Ausführungsbeispiel liegt beispielsweise die Temperatur der Buchse 6 in der Nähe von 90O⁰O, und die Wellenlängen der emittierten Strahlung liegen etwa zwischen 2/Um und 10 /um. Der Durchmesser der Buchse 6 beträgt 4 ram, die Buchse 6 hat eine Länge von 7 mm und der Kegel 8 hat eine Höhe von 5 mm. Die länge des Rohres 4 liegt in der Nähe von Ί3 mm.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf das dargestellte und

• beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere

könnte der Kegel 8 der Buchse β durch eine ebene Fläche ersetzt werden, die das Ende der Buchse verschließt, wobei dann ein Kegel anstelle der Kerbe 10 angebracht würde und

ν die Spitze dieses Kegels das· ebene Ende der Buchse 6 stützen

• würde. Anstelle der biegsamen Lamelle 22 und des Zentrierstücks 16 könnten auch andere Mittel dazu verwendet werden, den Kegel 8 in Berührung mit dem Fenster 12 su halten; diese Mittel brauchen nur so ausgeführt zu sein, daß sie diese Berührung gewährleisten und die Längsachse des Rohres 4 unbeweglich halten.

Claims

tt ι· · ·* ttfttt ΐ· To*"» · · Schutzansprüche

1. Infrarotstrahlung emittierende Vorrichtung mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Rohr aus hitzebeständigem Material, einem auf wenigstens einen !Teil der Länge des Rohres £ufgewickelten Heizdraht, dessen beide Enden mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden werden können, und mit einer an einem Ende geschlossenen Buchse aus hitzebeständigem Material, die den Heizdraht umgibt, gekennzeichnet durch ein für

O Infrarotstrahlung durchlässiges ebenes Fenster (12), das

im Y/estntlichen senkrecht zu der Achse der Buchse (6) in Berührung mit dem geschlossenen Ende der Buchse angeordnet ist, wobei eine der beiden in Berührung miteinander stehenden Flächen die Form einer Spitze hat, und durch eine Halterung (16, 22), welche einerseits das Fenstsr (12) und die Buchse (6) in Berührung miteinander hält und andererseits die Längsachse des Rohres (4) unbeweglich, hält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (6) an einem Ende durch einen Kegel (8) verschlossen ist, dessen Spitze in einer im Fenster (12) gebildeten Kerbe (10) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (16, 22) eine biegsame Lamelle (22) aufweist, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Rohres (4) angeordnet und am Gehäuse (26) befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (16, 22) ein Zentrierstück (16) aufweist,

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welches das nicht von dem Heizdraht (2) umgebene Ende des Rohres (4) aufnimmt, und daß das Zentrierstück (16) an den Rändern einer in der Lamelle (22) angebrachten öffnung (20) derart abgestützt ist, daß die Buchse (6) und das Fenster (12) in Berührung miteinander gehalten werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierstück (16) für die Durchführung eines Endes (32) des Heizdrahtes (2) vollständig durchbohrt ist, und daß das andere Ende (34) des Heizdrahtes (2) durch das Innere des Rohres (4) geführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Reflektor (36), der die Buchse (8) berührungsfrei umgibt und so angeordnet ist, daß die Längsachse des Rohres (4) mit der Symmetrieachse des Reflektors (36) zusammenfällt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der der Buchse (6) gegenüberliegende Teil (38) des Reflektors (36) die Form eines Kegelstumpf es mit einem Kegelwinkel von etwa 90° hat, und daß der dem Kegel (8) gegenüberliegende Teil (40) des Reflektors (36) die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel von etwa 45° hat, wobei die große Grundfläche des Kegel stumpfes mit dem Kegelwinkel von etwa 90° mit der kleinen Grundfläche des Kegelstumpfes mit dem Kegelwinkel von etwa 45° zusammenfällt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht in Berührung mit dem Fenster (12) stehende Ende der Buchse (6) am Rohr (4) anzementiert ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 oder nach einem der Ansprüche 6 bis θ unter Rückbeziehung auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierstück (16) am Rohr (4) anzementiert ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (12) aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Halbleitermaterial hergestellt ist.