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Vorrichtung zur subjektiven Messung der Farbtemperatur und des Farbemissionsvermögens
Die
blisher verwendeten Verfahren zur Messung der Farbtemperatur haben verschiedene
Nachteile.
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Bei dem ältesten, auf einem Farbvergleich zwischen dem zu messenden
Strahler und einer Vergleichslichtquelle beruhenden Verfahren ist eine genauer Farbvergleich
mit Betriebsinstrumenten sehr schwer durchführbar, da kleine Farbunterschiede, auf
die es bei solchen Messungen ankommt, bei der in technischen Betrieben herrschenden
unruhigen Umgebung nicht mit der erforderLichen Genauigkeit erfaßt werden können.
Eine weitere Unzulänglichkeit dieses Verfahrens ergibt sich aus dem Umstand, daß
nur ein farbtüchtiges Auge richtige Meßwerte ablesen kann, in Wirklichkeit aber
sehr viele Menschen ein von der normalen spektralen Augenempfindlichkeitskurve abweichendes
Auge haben. Die Messung ist mit derartigen Geräten ferner dadurch schwierig durchzuführen,
daß die RIchtung, in der das farbverändernde Abstimmorgan zu bewegen ist, nicht
ohne weiteres erkennbar ist, &o daß dies ernst durch Probieren festgestellt
werden muß. Da neben dem Farbabgleich eine Helligkeitsabstimmung vorgenommen werden
muß, sind bei diesen Verfahren zwei Abstimmittel versuchsweise so lange zu verstellen,
bis gleiche Farbe und Helligkeit in den Vergleichsfeldern vorhanden sind, was mit
der Forderung nach kurzer Meßzeit nicht vereinbart werden kann.
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Es wurden deshalb bereits Farbpyrometer vorgeschlagen, die mit einem
Helligkeitsvergleich bei zwei verschiedenen Spekralfarben arbeiten. Hierbei wird
das ein Maß für die Farbtemperatur bildende Helligkeitsverhältnis an zwei elektrischen
Widerständen abgelesen, wobei die Differenz der
Einstellungen der
beiden Widerstandsschieber dann direkt nach Farbtemperaturen geeicht werden kann.
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Dieses Verfahren vermeidet den direkten Farbvergleich und macht die
Farbtemperaturmessung dadurch unabhängig von der Farbtüchtigkeit des b obachtenden
Auges. Sein Nachteil besteht aber darin, daß die Temperaturmessung mittels zweier
zeitlich nacheinander erfolgender Helligkeitsvergleiche erfolgt und daß nach Beendigung
der zweiten Messung erst durch eine Umschaltung auf den ersten Spektralbereich festgestellt
werden kann, ob sich die Temperatur oder das Emissionsvermögen des Strahlers in
der Zwischenzeit nicht verändert hat, was eine Fehlmessung der Farbtemperatur zur
Folge hätte. Bei der Messung von Strahlern, deren Temperatur und Emissionsvermögen
während der Meßdauer nicht vollkommen konstant bleiben, ergeben sich daher bei diesem
Verfahren Fehlmessungen, wobei die Größe der Meßfehler stark mit der Änderungsgeschwindigkeit
dieser Komponenten ansteigt.
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Ein anderes, ebenfalls nach dem Helligkeitsverfahren arbeitendes
Meßverfahren besteht darinl, daß die Helligkeit des Strahlers bei, einer Spektralfarbe
mit einem Lichtschwächungsmittel auf die Helligkeit einer mit konstanter Intensität
leuchtenden-Vergleichslichtquelle abgestimmt wird. Wind die Helligkeitsabgleichung
dann bei einer anderen Spektralfarbe mit einem zu dem ersten Lichtschwächungsmittel
zusätzlich eingeschalteten Lichtschwächungsmittel vorgenommen, so ist die Stellung
dieses zweiten Lichtschwächungsmittels ein direktes Maß für die Farbtemperatur des
Strahlers. A.uch dieses Verfahren hat gegenüber dem direkten Farbvergieich den Vorteil,
daß eine etwa vorkommende. Farbuntüchtigkeit des beobachtenden Auges keinen Einfluß
auf die Meßgenauigkeit hat. Es besteht aber auch bier wieder der Nachteil der zeitlichen
Nacheinandermessung in zwei verschiedenen Farbbereichen mit der damit verbundenen,
oben dargelegten Meßunsicherheit.
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Die Genauigkeit der Farbtemperaturbestimmung mittels der nach dem
Helligkeitsverfahren arbeitenden Pyrometer wird ferner durch den Umstand gemindert,
daß die Farbe der Vergleichslichtquelle während der Abgleichung mit derjenigen des
Strahlers nicht übereinstimmt. Die Folge davon ist, daß bei genauer Helligkeitsabgleichung
eine Farbdifferenz zwischen Strahler und Vergfeichsiichtqu.ellebesteht, die die
Genauigkeit der Helligkeitsvergleiches herabsetzt und bei der Messung dadurch augenfällig
wird, daß das Bild der Vergleichslichtquelle nicht oder nicht vollständig in- dem
vom Strahler gebildeten Eintergrund zum Verschwinden zu bringen ist. Die Kontaktstempfindlichkeit
wird dadurch geringer und mit ihr die der Kontrastempfindlich keit proportionale
Genauigkeit der Farbtemperaturbestimmung.
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Durch die Erfindung werden nun die Mängel der bischer bekannten subjektiven
Farbmessungsmethoden vermieden, und es wird die Genauigkeit der Farbtemperaturbestimmung
erhöht. Dlie Vornichtung zur subjektiven Messung der Farbtemperatur und des Farbemissionsvergmögens
mit Hilfe von zwei verisohietenfarbigen Bildern eines Strahlers -ist erfindungsgemäß
so eingerichtet, daß auf den zwei verschiedenfarbigen Bildern des Strahlers, die
mit an .sich bekannten Mitteln (z. B. Graukeil) auf die gewünschte absolute Leuchtdichte
einstellbar sind, gleichzeitig ein Vergleichsstrahler zur reellen Abbildung gelangt,
dessen Farbtemperatur einstellbar ist. Das ermöglicht die unmittelbar ablesbar Messung
der Strahlerfarbtemperatur. Die eingestellte Lichtschwächung der beiden Farbbilder
ergibt ohne weiteres das Farbemissionsvermögen des Strahlers.
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Die Erfindung wird beispielsweise veranschaulicht durch die Zeichnung.
In derselben zeigt Eig. I schematisch die Grundzüge der Erfindung; Fig. 2 bis 4
zeigen die Meßfelder in den verschiedenen Stadien; Fig. 5 ist die Abbildung einer
abgeänderten tAnsfithrungsform des Glühfadens; Fig. 6 zeigt das bei dieser Ausführungsform
erscheinende Bild; Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform
mit Einspiegelung der Vergleichslichtquelle, und Fig. 8 zeigt im Querschnitt die
grundsätzliche Anordnung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung.
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In Fig. 1 stellt S den Temperaturstrahler dar, der mittels einer
Objektivlinse L1 über ein neutral schwächendes Lichtschwächungsmittel, das zur Vereinfachung
der Darstellung als Graukeil K gezeichnet ist, auf die zur optischen Achse normale
Ebene durch den Glühfaden G abgebildet wird. Eine Linse L2 entwirft ein Bild des
Strahlers S und des Glühfadens G auf zwei in einer scharfen Trennungskante T aneinanderstoßende
Lichtülter Fi und F2, die die gewünschten Spektralbereiche aussondern.
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Durch das Okular L3 sieht man dann, wie in Fig. 2 dargestellt, den
Glühfaden G quer über die beiden verschiedenfarbigen, vom Licht - des zu messenden
Strahlers beleuchteten Gesichtsfeldhälften I und 2.
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Die Temperatur des Glühfadens G kann mittels eines Regelwiderstandes-
W eingeregelt werden. Ein Galvanometer A, das den durch den Glühfaden G fließenden
Strom mißt, kann direkt nach Farbtemperaturen geeicht werden, da die Stromstärke,
von der der Glühfaden durchflossen wird, ein Maß für seine Farbtemperatur ist. Das
Lichtschwächungsmittel K dagegen, das das Farbemlssi-onsvermögen des Strahlers S
demjenigen des Glühfadens G angleicht, läßt sich nach Emissionsvermögen eichen.
Wenn die Farbtemperatur des Glühfadens G mittels des Regelwiderstandes W derjenigen
des Strahlers S angeglichen wird und wenn die Helligkeiten von Strahler und Glühfaden
mit Hilfe des Lichtschwächungsmittels K aufeinander abgestimmt sind, verschwindet
das Bild des Glühfadens G in den beiden verschiedenfarbigen Hälften 1 und 2 des
Gesichtsfeldes, wie in Fig. 3 a angedeutet. Nach einer richtigen Leuchtdichtenabgleichung,
die durch den beim Eineinblicken in das Okular erkennbaren und in Fig. 3a darge-
stellten
Abglei.chzustand gekennzeichnet ist, können die Farbtemperatur und das Emiss,ionsvermögen
des Strahlers unmittelbar an den Abstimmorganen A und K abgelesen werden.
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Ist die Farbtemperatur des Glühfadens G richtig eingestellt, so wechselt
das im Okular erscheinende Bild vom Zustand F,ig. 3 b über 3 a nach 3 c, oder umgekehrt,
wenn die Lichtschwächung K verändert wird; der Glühfaden erscheint also immer gleichzeitig
in den beiden Gesichtsfeldhälften dunkler, als gleich hell wie oder heller als der
vom Strahler S gebildete Hintergrund.
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Ist die Farbtemperatur des Glühfadens G fehlerhaft eingestellt, so
erscheinen bei Veränderung der Lichtschwächung K im Okular der Reihe nach die Abgleichzustände
Fig. 3b, 3d, 3e und 3c, oder umgekehrt, bzw. 3b, 3f, 3g und 3c, je nachdem, ob die
Farbtemperatur des Glühfadens G höher oder tiefer als diejenige des Strahlers S
eingestellt war.
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Es kann also in diesem Falle der Glühfaden beim Verändern der Lichtschwächung
K niemals gleichzeitig in beiden Gesichtsfeldhälften 1 und 2 verschwinden.
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Bei der praktischen Ausführung von Messungen mit einem erfindungsgemäßen
Pyrometer wird man, sofern es sich um niedrige Farbtemperaturen handelt, beispielsweise
bei den Spektralfarben Rot und Grün arbeiten und bei der Temperatureinstellung vorteilhafterweise
gemäß Fig. 4 folgendermaßen vorgehen: Man stellt die Farbtemperatur des Glühfadens
G auf einen beliebigen oder besser auf einen geschätzten Wert ein und gleicht mit
dem Lichtschwächungsmittel K zuerst in der roten Ges-ichtsfeldstärke ab. Ist der
Glühfaden dann auch bei Grün verschwunden (Fig. 4 a), so kann die Farbtemperatur
des Strahlers am Anzeigegerät A (Fig. I) abgelesen werden. Ist der Glühfaden aber
bei Grün heller als der Strahler, wie in Fig. 4b angedeutet, so ist die Farbtemperatur
des Glühfadens G zu hoch eingestellt und muß durch Verändern des Abstimmorgans W
verringert werden. Eine neuerliche Betätigung der Lichtschwächuing K, mit der man
wieder bei Rot abgleicht, zeigt, ob jetzt auch bei Grün Helligkeitsgleichheit erreicht
ist, ob also die Farbtemperatur richtig eingestellt ist. Zeigt sich jedoch das Feld
bei Grün nach der Rotabgleichung entsprechend Fig. 4c, so daß also der Glühfaden
G dunkler als der Strahler 3' erscheint, so muß die Farbtemperatur des Glühfadens
G erhöht werden, worauf wieder mit dem Lichtschwächungsmittel K bei Rot abgeglichen
wird. Auf diese Weise werden die wechselweisen Abgleichungen durch Betätigung von
W und K wiederholt, bis bei Rot und Grün Helligkeitsgleichkeit zwischen Glühfaden
und Strahler hergestellt ist. Bei der praktischen Ausführung der Farbtemperaturmessung
ist man in zwei bis drei Schritten am Abgleichpunkt. Die tatsächlich auftretenden
Abgleichzustände reduzieren sich also gemäß Fig. 4 auf insgesamt drei, wenn man
in der beschriebenen Weise bei der Temperaturmessung vorgeht.
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Ein Vorteil dieses Pyrometers liegt darin, daß die Richtung, in der
die Farbtemperatur der Vergleichslichtquelle bei der Messung zu verändern ist, durch
das im Okular sichtbare Abgleichbild eindeutig bestimmt ist. Man ist also nicht
wie bei den Farbvergleichsmethoden gezwungen, die Richtung des Ablgleichvorganges
durch Prolbiereiirl. zu ermitteln.
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Hat man mehrere Messungen an demselben Strahler auszuführen, so braucht
man nach der ersten Temperaturmessung bei. allen weiteren Abgleichungen nur die
Farbtemperatur des Glühfadens einzuregeln, da der bei der ersten Messung mit dem
Lichtschwächungsmittel eingestellte Emissionskoeffizient des Strahlers zumeist unverändert
bleibt.
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Es ist in diesen Fällen bei der Farbtemperaturmessung nur das eine
Abstimmorgan W zu verändern. Die Ermittlung der Farbtemperatur geht dann genau so
einfach vor sich wie das Messen der schwarzen Temperatur mit den üblichen Teilstrahlungspyrometern.
Man kann auf diese Weise die bei verschiedenen speziellen Strahlern auftretenden
Emissionskoeffizienten einmalig feststellen und dann immer in einfachster Art die
Farbtemperatur durch Verstellen eines einzigen Einstellorgans W (Fig. 1) ermitteln,
indem man vor der Messung das Lichtschwächungsmittel K auf den bekannten Emissionskoeffizienten
des Strahlers einstellt.
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An Stelle eines gerade ausgestreckten Glühfadens G, wie er den Fig.
I bis 4 zugrunde gelegt ist, kann man natürlich auch anders gestaltete Glühfäden
verwenden, wie z. B. zwei in üblicher Weise gebogene und elektrisch hintereinandergeschaltete
Glühfäden G1 und G2 nach Fig. 5. Man erhält in diesem Fall ein Gesichtsfeld, wie
es die Fig. 6 zeigt, und stellt wie bei den normalen Gübfadenpyrometern auf das
Verschwinden der gekrümmten Kuppen der Fäden G1 und G2 ein.
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Anstatt eines direkt im Strahlengang des Pyrometer angeordneten Glühfadens
kann man auch Vergleichslichtquellen auf eine der bekannten optischen Methoden von
der Seite her in den Strahlengang einspiegeln, wie es in Fig. 7 schematisch angedeutet
ist. Hier wird in bekannter Weise ein von einer Vergleichs lichtquelle G beleuchteter
Spalt Sp über einen Spiegel oder ein Prisma R in den Strahlengang eingespiegelt.
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Eine weitere Vervollkommnung des Pyrometers besteht darin daß bei
selektiven Strahlern, bei denen die Farbtemperatur nicht mit der wahren Temperatur
übereinstimmt, die Strahlung durch Einschaltung eines die eine der beiden Spektralfarben
stärker schwächenden Farbfilters Fs (s. Fig. 1) so verändert wird, daß die am Anzeigegerät
A abgelesene Farbtemperatur direkt mit der wahren Temperatur des Strahlers S übereinstimmt.
Man kann eine Anzahl von Farbfiltern Fs vorsehen, so daß bei verschiedenen selektiven
Strahlern, wie Stahlschmelzen, Glasschmelzen, Salzbädern usw., jeweils unmittelbar
die wahre Temperatur des Strahlers vom Farbtemp eraturanzeigegerät A abgelesen werden
kann.
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Weiterhin kann das Pyrometer dadurch vervollkommnet werden, daß mehrere
Fil.te koimblinationen F1 und F2 (Fig. I) vorgesehen werden, mit
denen
in jedem Farbtemperäturbereich ein möglichst großer Abstand der wirksamen Wellenlängen
erzielt wird, ohne daß die Leuchtdichten der Farbfelder einen für die Kontrastempfindlichkeit
ungünstigen Wert annehmen. So kann man z. B. bei höheren Farbtemperaturen an Stelle
von Got-Grün-Filtern eine Rot-Blau-Filter-Kombination verwenden und damit eine größere
Meßgenauigkeit erreichen, da diese bekanntlich mit zunehmendem Abstand der wirksamen
Wellenlängen ansteigt.
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Fig. 8 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung
des beschriebenen Verfahrens geeigneten Vorichtung. Das hinter dem Objektiv L1 angeordnete
Farbfilter Fs ist eindeckbar ausgebildet, so daß Filtersätze verwendet werden können.
Sowohl der Widerstand W als auch das Lichtschwächungsmittel K lassen sich durch
Verdrehen je eines Reib- oder Kegelrades Z2 bzw. Z3 einstellen. Zu diesem Zweck
ist die Achse eines Drehknopfes E um den Punkt O schwenkbar gelagert und trägt ein
zum Eingriff mit einem der Räder Z2 und Z3 bestimmtes Reib- oder Kegelrad Z1. Zur
Speisung des Glühfadens G dient eine im Handgriff des Gerätes angeordnete Batterien,
die mittels eines Druckknopfes D einschaltbar ist.
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Zwischen der den Glühfaden G gleichzeitig mit dem Strahler abbildenden
Linse L2 und dem Okular L3 ist das zweiteilige Filter angeordnet, und zwar sind
hier um eine Achse P mittels eines Hebels H schwenkbar ein Rot-Grün-Filter F1 und
ein Rot-Blau-FIlter F11 im rechten Winkel zueinander angeordnet vorgesehen.
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Der Eins-tellvorgang spielt sich mit dieser Pyrometerordnung sehr
einfach auf folgende Weise ab: Man sucht, durch das Okular L3 blickend, die zu messende
Stelle des Strahlers S auf, drückt den Druckknopf D, wodurch der Strom eingeschaltet
wird, und verändert zunächst die Leuchtdichte des Strahlers mittels des Lichtschwächungsmittels
K, indem man den Drehknopf in Richtung b drückt und gleichzeitig dreht, bis im roten
Gesichtsfeld der Glühfaden G verschwunden ist. Ist er jetzt bei Grün heller oder
dunkler als der Strahler, so drückt man den Drehknopf E in Richtung a und verändert
durch Drehen an ihm die Farbtemperatur des Glühfadens G in der oben bei Fig. 4 besprochenen
Weise, bis der Glühfaden G licn beiden Farbfeldern I und 2 gleichzeitig leuchtdichtengleich
mit dem Strahler S geworden ist. Dann drückt man den Drehknopf E wieder in Richtung
b und überzeugt sich durch langsames Verdrehen des Graukeiles K, ob der Glühfaden
G gleichzeitig verschwindet und erscheint, worauf am Instrument 24 die Farbtemperatur
des Strahlers S und an der mit dem Graukeil K verbundenen Skala der Emissionskoeffizient
ab gelesen werden können,.
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Durch Umkippen des - Hebels H in Richtung des Pfeiles in Fig. 8 kann
anstatt des Rot-Grün-Filters FI das Rot-Blau-Filter FII in den Strahlengang geschwenkt
werden, wodurch bei höheren Farbtemperaturen, wo die Blaukomponente der Strahlung
genügend stark ist, eine größere Meßgenauigkeit erzielt wird.
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Durch Einstecken verschiedener Farbfilter Fs kann die Strahlung bei
selektiv strahlenden Körpern so verändert werden, daß die am Instrument abgelesene
Farbtemperatur, so wie es bei schwarzen und grauen Strahlern stets der Fall list,
mit der wahren Körpertemperatur übereinstimmt.
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Die Farbfilter Fs können auch dazu benutzt werden, um das Verhältnis
der Leuchtdichten des Strahlers bei den beiden Meßfarben so abzuändern, daß bei
annähernd gleichbleibenden Leuchtdichten ein einer niedrigeren Farbtemperatur entsprechendes
Verhältnis erzielt und somit ein größeres Emissionsverhältnis vorgetäuscht wird.
Dies ist immer dann notwendig, wenn das Farbemissionsvermögen des Strahlers S kleiner
ist als dasjenige der Vergleichslichtquelle G, in welchem Fall ein Helligkeitsabgleich
nicht möglich wäre.
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Die Meßgenauigkeit ist beim Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
stets größer als bei den bisher vorgeschlagenen Helh.gkeitsfarbpyrometern, da die
Art des Verschwindens der Vergleichslichtquelle im Bilde des Strahlers als Kriterium
für die richtige Einstellung der Farbtemperatur der Vergleichslichtquelle herangezogen
werden kann. Aber selbst im ungünstigsten Falle, wenn die Farbtemperatur nicht richtig
eingestellt wird, ist die Meßgenanigkeit noch immer größer als bei den bisher üblichen
Verfahren. In diesem Falle wird bei kontinuierlicher Veränderung des Lichtschwächungsmittel
wohl die Vergleichslichtquelle in beiden Farbfeldern mit dem Strahler leuchtdichtengleich,
bei einer geringen weiteren Licht schwächung aber in einem Farbbereich heller oder
dunkler als der Strahler, während sie im anderen Farbfeld dem Auge nich leuchtdichtengleich
mit dem Strahler erscheint.