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Meßgerät zur Registrierung niedriger Temperaturstrahlung
Um mit Hilfe
der Wärmestrahlung auf die Temperatur zu schließen, nimmt man bei glühenden Körpern,
bei denen man nicht in der Lage ist, mit Hilfe von theirmoelektrischen Messungen
oder anderen temperaturanzeigenden Instrumenten die Temperaturen zu registrieren,
Strahlungspyrometer.
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Die im Handel befindlichen Strahlungspyrometer sind Instrumente, die
mit Hilfe einer Linse die Wärmestrahlung sammeln und den temperierten Körper oder
glühenden Gegenstand auf eine Photozelle oder ein anderes wärmestrahlenempfindliches
Element abbilden. Neuerdings sind Meßgeräte zur Bestimmung der Wärmestrahlung von
lebenden Organismen entwickelt worden, die sich dadurch auszeichnen, daß die strahlenauffangende
Öffnung von einem Wärmespeicher aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben
ist. Durch diese Maßnahme ist man gegen plötzliche Temperaturschwankungen von außen
insofern geschützt, daß sich der Wärmespeicher erst langsam der Umgehungstemperatur
anpaßt. Schließlich bedient man sich noch der von Lehrer I936 eingeführten Wechsellichtmethode,
so daß man hier den Modulationsfiügel möglichst weit vorn in den Wärmekopf legt,
und ordnet alle vor dem Flügelrad liegenden Teile so an, daß möglichst'wenig Eigenstrahlung
von dem Wärmespeicher mitmoduliert wird.
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Diese entwickelten Geräte haben den Nachteil, daß sie ihre Empfindlichkeit
in Abhängigkeit von der Raumtemperatur ändern.
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In jüngster Zeit treten Fragen nach absoluten Strahlungsmeßgeräten
auf, die unabhängig von der Raumtemperatur absolute Messungen zu registrieren in
der Lage sind.
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Ordnet man, wie oben beschrieben, in einem Wärmekopf ein Flügelrad
an, und setzt dahinter ein strahlungsempfindliches Element (Bolometer), so wird
von diesem eine Lichtfrequenz registriert, die sich an. den Brückengliedern eines
Bolometers als Wechselstrom bemerkbar macht. Die Intensität dieses Wechseistromes
ist einerseits abhängig von der Temperaturstrahlung der lichtunterbrechenden Scheibe,
die durch die Eigentemperatur Strahlung dann auf das Bolometer wirft, wenn sie gerade
den Strahlengang des zu untersuchenden Körpers unterbrochen hat, andererseits von
der Strahlung des zu untersuchenden Körpers, wenn diese durch das Flügelrad frei
gegeben, auf die Bolometerfläche strahlen kann.
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Wird z. B. ein Körper, der während der Meßreihe seine konstante Temperatur
behalten soll, untersucht und ändert sich währen.d dieser Zeit die Raumtemperatur
über Stunden so, daß sie am An.-fang der Meßreihe unter der Temperatur des zu untersuchenden
Gegenstandes, am Ende über der Temperatur des zu untersuchenden Körpers liegt, so
ist ein Zeitabschnitt in der Meßreihe zu beobachten, wo die Empfindlichkeit des
Gerätes gegen o geht. Die Empfindlichkeit o ist dann erreicht, wenn die Strahlung
des Gegenstandes auf der Bolometerfläche die gleiche Intensität aufweist, wie die
Eigenstrahlung des Flügelrades in dem Zeitpunkt, wenn die Strahlung des Untersuchungskörpers
vom Flügelrad unterbrochen wird. In diesem Augenblick ist keine Wechselstrahlung
an sich mehr vorhan.den, weil die die Wechsel strahlung bestimmenden Teilstrahlungen
gleich sind (Strahlung des Gegenstandes und Eigenstrahlung des Flügelrades, die
wiederum eine Funktion der Raumtemperatur ist).
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Erwärmt sich nun das Flügelrad durch die Raumtemperatur weiter, so
tritt allmählich wieder eine in seiner Intensität steigendeWechselstrahlung auf
mit dem Unterschied, daß nun der zu untersuchende Körper relativ gesehen gegen das
Flügelrad kälter wird. Dieser eben beschriebene Versuch würde also nichts über die
Strahlungskonstanz des untersuchten Gegenstandes aussagen, sondern über das Wandern
der Temperatur des Modulations oder Flügelrades Auskunft geben. Bei Untersuchungen
mit den vorseits angeführten Geräten ist also auf absolute konstante Raumtemperatur
zu achten.
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Es ist bereits ein Strahlungspyrometer bekannt, das dadurch unabhängig
von der Raumtemperatur ist, daß das Gehäuse des Pyrometers und das den Strahlengang
begrenzende Metallrohr auf konstante Temperatur mittels Thermostatregelung gehalten
wird.
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In der folgenden Erfindung wird- ein weiterer Strahlungsmesser beschrieben,
der von Temperaturschwankungen im Raum weitestgehend unabhängig ist. Der neue Gedanke
liegt darin, daß das Flügelrad als Vergleichsstrahler konstanter Temperatur herangezogen
wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine im Gehäuse befindliche
Metalltrommel, die ein der Strahlenmodulation dienendes, an sich bekanntes Flügelrad
enthält, auf konstanter Temperatur gehalten ist.
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Eine Ausführungsform dieses Gerätes zeigt Fig. I. Der Modulationsflügel
I wurde so in den Strahlengang gelegt, daß das Bild des durch die strahlensammelnde
Einrichtung abgebildeten Flügels weit hinter der Bolometerfläche 2 liegt. Bei Anordnungen
in. Fig. I erwies es sich als günstig, das Flügelrad zwischen. dem ersten und zweiten
Drittel der optischen Achse 3, zwischen Linse 4 und Gegenstand 5 anzuordnen. Brennweite
der Linse 4, Bild und Gegenstandsweite wurden so gewählt, daß man den Gegenstand
in stark verkleinertem Maßstab auf die Bolometerfläche abbildet, um einé möglichst
hohe Strahlenkonzentration auf dem wärmeempfindlichen Element 2 zu erhalten.
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Das Flügelrad I wird in eine Metalltrommel 6 verkapselt, die so in
das obere Rohr 7 gesetzt wird, daß die Bohrung durch die Mtalltrommel 8 den Strahlengang
nicht weiter hindert. Der so gekapselte Flügel I kann nun durch Rotation den Strahlengang
mit einer bestimmten. Frequenz unterbrechen (Wechsellichtmethode). Diese rhythmische
Strahlenunterbrechung wird nun im strahlungsempfindlichen Element in einen Wechselstrom
verwandelt, der nun wiederum mit Hilfe eines auf diese Frequenz abgestimmten Verstärkers
verstärkt und durch einen. an. den Verstärker angeschlossenen Schreiber oder durch
ein Instrument zur Anzeige gebracht wird.
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In der Metalltrommel 6 sind die durch 10 angedeuteten Drahtwindungen
un.tergebracht, die die Trommel 6 und damit das Flügelrad I auf konstante Temperatur
halten. Die rechteckige Aussparung 11 in der Trommel 6 dient zur Unterbringung eines
Kontaktthermometers.
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Dieses Kontaktthermometer schaltet über Relais, die zweckmäßigerweise
im Verstärkergehäuse ein; gebaut sind, den Strom der Heizwicklungen in der Metalltrommel
6 so, daß die Haltung konstanter Temperatur bei Temperaturänderungen des Raumes
gegeben ist. Die Höhe der Heiztemperatur richtet man so ein, daß diese Temperatur
entweder höher als die Temperatur der zu untersuchenden Gegenstände, oder stes höher
als die jemals bei der Messung vorkommenden Raumtemperatur liegt.
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Das Flügelrad 1 selbst wird durch den Motor I3, dessen Gehäuse 14
exzentrisch so hinter dem Gehäuse 21 der Ablenkspiegel angeordnet ist, daß seine
Achse über dem Rohr 7 mittels einer Gummikupplung auf die Welle 15 des Flügelrades
verlängert werden kann, angetrieben.
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Um das Strahlungsmeßgerät handlich - zu gestalten, wurde der Strahlengang
mittels zweier Planspiegel I6 in das Rohr I7 umgelenkt. In dem Rohr I7 befindet
sich die Linse 4 und das strahlenempfindliche Element 18 (Bolometer). Zwischen Linse
4 und Bolometer I8 ist dann noch eine Nut 19 angeordnet, die es gestattet, den Strahlengang
zu unterbrechen bzw. durch die Nut ein in der
Optik bekanntes Filtermaterial
zu schieben, um auch mit diesem Gerät wie in der Spektroskopie bekannte grobe Spdtralzerl
egungen vorzunehmen.
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Die strahlensammelnde Einrichtung 4 sowie alle anderen Kristallmaterialien
(Bolometerfenster), die in der Optik dieses Gerätes verwendet werden, sind aus Materialien
hergestellt, die es gestatten, Wellenlängen bis zu 40 /t durchzulassen (KRS 5).
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Die Öffnung des Rohres 7, die unmittelbar vor die zu untersuchende
Temperaturfläche 5 gehalten wird, ist rechteckig ausgearbeitet, und zwar in einem
bestimmten Verhältnis zur thermischen Empfangsfiäche. des Bolometers. Da die Randzonen
der zu untersuchenden Fläche 5 von der Öffnung des Rohres 7 beeinflußt werden, wurde
- damit diese Temperaturschwankung das Meßergebnis nicht stört - folgende Ausblendung
der Randgebiete vorgesehen.
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Fig. 2 zeigt schematisch die Mündung des Rohres 7, das Flügelrad
1, die Linse 4 und das Bolometer i8 mit der Bolometerfläche 2 und Auslulendblättchen
20. Alle weiteren Schaltelemente., die in Fig. I gezeichnet sind, wurden der Einfachheit
halber weggelassen.
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Der Gegenstand 5 wird von der Linse 4 auf die wärmeempfindliche Fläche
abgebildet. Das Bolometer oder Thermoelement üblicher Bauart I8 hat unmittelbar
vor der wämeempfindlichen Fläche 2 ein Ausblendblättchen 20, das verhindert, daß
die Randzonen des Gegenstandes auf der wärmeempfindlichen Fläche wirksam werden.
Dieses Blättchen kann unmittelbar in den Vakuumkolben der Strahlungsempfänger mit
eingebaut bzw. vor dem Fenster des Bolometers montiert werden (Fig. 2).