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Strahlungspyrometer mit lichtelektrischen Zellen als Strahlungsindikator
Bei
der Farbtemperaturmessung mit Hilfe von zwei lichtelektrischen Zellen, auf die Licht
unterschiedlicher Farbe fällt und die beispielsweise in einer Brückenschaltung angeordnet
sind, ergeben sich Meßfehler, weil die Zellen eine zeitlich nicht konstante Empfindlichkeit
aufweisen. Die Zellen weisen sowohl in ihrer spektralen als auch in der gesamten
Empfindlichkeit Schwankungen auf, die verschiedenen Einflüssen unterliegen und deren
Periode sich über den Zeitraum von mehreren Stunden bis zu einigen Tagen erstrecken
kann.
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Außerdem treten irreversible Alterungserscheinungen auf. Hinzu kommt
noch, daß auch die örtliche Empfindlichkeit der einzelnen Zellen verschieden ist,
so daß die Anzeige also davon abhängt, an welcher Stelle und in welcher Größe das
Bild des Strahlers auf den Zellen abgebildet wird. Man hat daher mit derartigen
Farbpyrometern nur verhältnismäßig ungenaue Temperaturmessungen durchführen können.
Durch mit Wechsellicht arbeitende Einrichtungen, bei denen das Licht der beiden
mittels optischer Filter ausgesonderten spektralen Bereiche abwechselnd auf die
gleiche Fotozelle trifft, werden die Empfindlichkeitsschwankungen zwar eliminiert,
jedoch treten hier größere Fehler dadurch auf, daß die spektrale
Verteilung
der Fotozelle sich gegenüber den Filterkurven verschiebt. Außerdem sind die hierzu
erförderlichen Einrichtungen teuer und kompliziert aufgebaut.
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Bei einem einfachen Strahlungspyrometer mit zwei lichtrlektrischen
Zellen als Strahlungsindikator erhält man gemäß der Erfindung dadurch eine genaue
und reproduzierbare Anzeige, daß zur Eicheinstellung der elektrischen Meßschaltung
die Strahlung einer in das Meßgerät eingebauten Vergleichslampe mittels eines einklappbaren
Spiegels an Stelle des Strahlers auf die lichtelektrischen Zellen projizierbar ist.
Sind die beiden Zellen in einer mit Hilfe eines Kompensationswiderstandes abgleichbaren
Brückenschaltung angeordnet, so kann durch die Eicheinstellung ein zusätzlicher
Widerstand in einem Brückenzweig verändert werden. Dadurch werden, wie Theorie und
Praxis zeigen, Empfindlichkeitsschwankungen der Zellen vollständig und spektrale
Verschiebungen derselben in einem sehr starken Maße eliminiert.
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Es ist zwar bereits bekannt, bei Temperaturmessungen mit lichtelektrischen
Zellen die Temperatur des Strahlers ständig mit einem Thermoelement zu messen und
beide Temperaturen in einem Vergleichsgerät miteinander zu vergleichen.
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Weicht die vom Strahlungspyrometer angezeigte Temperatur infolge einer
Empfindlichkeitsschwankung der lichtelektrischen Zelle von der Temperatur des Thermoelementes
ab, so spricht mit einer eingebauten Verzögerung, die der Trägheit des Thermoelementes
angepaßt ist, die Vergleichsschaltung an und verstellt über einen Hilfsmotor die
Verstärkung des der lichtelektrischen Zelle nachgeschalteten Verstärkers im Strahlungspyrometer.
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Es ist weiterhin für die Temperaturregelung bekannt, einen Vergleichsstrahler
vorzusehen, dessen Temperatur über ein Thermoelement und eine angeschlossene Regeleinrichtung
auf einen bestimmten konstanten Wert eingestellt werden kann. Nach dem Wechsellichtverfahren
wird sodann die Strahlung des zu messenden Körpers und des Vergleichsstrahlers abwechselnd
mehrmals in der Sekunde auf die lichtelektrische Zelle geworfen.
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Der nachgeschaltete Verstärker stellt aus der Phåsenbeziehung der
Lichtimpulse die Abweichung der Temperatur des Strahlers vom Wert des Normalstrahlers
fest und verstellt einen Regler für die Heizleistung in dem Sinne, daß die Temperatur
des Strahlers auf den Wert des Normalstrahlers zurückgeführt wird. Eine Farbtemperaturmessung
ist mit diesen Verfahren nicht möglich, sie gestatten lediglich die Messung der
schwarzen Temperatur. Alle diese Einrichtungen sind sehr aufwendig, kompliziert
und daher störungsanfällig, so daß sie für die Praxis und für einfache Temperaturbestimmungen
nicht in Frage kommen.
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Demgegenüber sind bei dem Erfindungsgegen stand lediglich ein konstanter
Vergleichsstrahier, beispielsweise eine Wolfram-Vergleichslampe, ein Klappspiegel
im Strahlengang und ein Eichwiderstand in der elektrischen Schaltung erforderlich.
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Gemäß der weiteren Erfindung wird vor die Vergleichslampe ein Farbglasfilter
gesetzt, weiches die Farbtemperatur der Lampe erhöht, obwohl der Woiframfaden mit
niedrigerer Temperatur brennt.
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Dadurch werden die Konstanz und Lebensdauer der Vergleichslampe wesentlich
erhöht. Bei einfachen Geräten wird die Eicheinstellung von Hand vor jeder Messung
durchgeführt.
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Nach, Einklappen des Spiegels und Einschalten der Vergleichslampe
wird der Ausschlag des Meßgerätes beobachtet und bei Abweichungen vom vorbestimmten
Wert, der beispielsweise durch eine rote Marke auf der Skala gekennzeichnet ist,
der Eichwiderstand in einem Brückenzweig der elektrischen Schaltung verstellt, bis
der Zeiger auf der roten Marke steht.
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Bei registrierenden Geräten für die Farbtemperatur werden für genaue
Messungen Einrichtungen mit selbstabgleichenden Brückenschaltungen, sogenannte Kompensographen,
verwendet.
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Bei Kompensographen, die zur Spannungsmessung verwendet werden, ist
es bekannt, eine Einstellung der Speisespannungsquelle für die Meßbrücke nach einem
in den Kompensographen eingebauten Normalelement in periodischen Zeitabständen selbsttätig
vorzunehmen. Ein Zeitwerk, das beispielsweise von dem Meßstellenumschalter des Kompensographen
oder einem besonderen Synchronmotor, Uhrwerk od. dgl. angetrieben wird, schaltet
in Zeitabständen von etwa Io Minuten das Normalelement an die Brückenschaltung und
kuppelt den Abgleichmotor mit einem Potentiometer für die Einstellung der Speisespannung
der Meßbrücke. Der Abgleichmotor stellt die Speisespannung auf den durch das Normalelement
vorgegebenen Wert ein. Gemäß der Erfindung wird nunmehr durch diese Umschalteinrichtung
der Klappspiegel in den Strahlengang eingeklappt und der Abgleichmotor mit- dem
verstellbaren Abgriff des Eichwiderstandes in einem Brückenzweig gekuppelt.
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Man kann also Kompensographen bekannter Bauart zur Messung und Registrierung
der mit Hilfe zweier lichtelektrischer Zellen in einer Brückenschaltung bestimmten
Farbtemperatur verwenden.
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Damit das auf die beiden lichtelektrischen Zellen projizierte Bild
des Strahlers unabhängig von der Entfernung und den Abmessungen des Strahlers die
gleiche Größe behält, ist es notwendig, zwischen dem einklappbaren Spiegel für die
Eichung und den lichtelektrischen Zellen eine Zwischenlinse derart anzuordnen, daß
bei aus dem Strahlengang herausgeklapptem Spiegel das Objektiv und bei eingeklapptem
Spiegel die Kondensorlinse des Vergleichsstrahlers in gleicher Größe und an der
gleichen Stelle der lichtelektrischen Zellen abgebildet wird.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
Hierbei zeigt Fig. I die an sich bekannte mit Hilfe eines Kompensationswiderstandes
RM abgleichbare Brückenschaltung mit den beiden lichtelektrischen Zellen Zj und
Z2 auf die das Licht der beiden spektralen Komponenten für die Farbtemperaturbestimmung
trifft.
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Die Brücke wird von einer Batterie B gespeist und mit Hilfe des Widerstandes
RM und des Nullinstrumentes G abgeglichen. Die Einstellung des Widerstandes RM ist
dann ein Maß für die Farbtemperatur.
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Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung der gemäß der Erfindung
aufgebauten Schaltung in Verbindung mit einem Kompensographen. Aus Fig. 3 ist die
Anordnung der einzelnen Teile innerhalb des Pyrometergehäuses zu ersehen.
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Fig. 4 schließlich zeigt eine ähnliche Darstellung, bei der lediglich
zusätzlich eine weitere lichtelektrische Zelle für die gleichzeitige Bestimmung
der schwarzen Temperatur des Meßobjektes vorgesehen ist.
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In Fig. 2 ist das Objektiv des Farbpyrometers mit I bezeichnet. Hinter
dem Objektiv ist der Klappspiegel 2 im eingeklappten Zustand gezeichnet, so daß
er die Strahlung der Vergleichslampe 3 auf die lichtelektrischen Zellen Z1 und Z2
reflektiert. In der Brückenschaltung ist neben dem Abgleichwiderstand RM der Eichwiderstand
RE im anderen Brückenzweig angeordnet. Im unteren Brückenzweig liegt ein fester
Widerstand R zur Einstellung des Meßbereiches. Die Spannung der Brückendiagonalen
wird durch den Verstärker 4 verstärkt und über den Verstärkerausgang dem Abgleichmotor
M des Kompensographen zugeführt.
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Der Motor M verstellt den Abgleichwiderstand RM, bis die Brücke abgeglichen
und der Diagonalstrom verschwunden ist. Gleichzeitig wird hierbei das Anzeige- bzw.
Registriergerät 5 eingestellt. Der Kompensograph ist mit einem Zeitwerk 6 versehen,
das in Zeitabständen von beispielsweise 10 Minuten den Klappspiegel 2 in die gezeichnete
Lage bringt.
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Gleichzeitig wird der Schalter7 nach oben umgelegt und über die Kupplung
U der Motor vom Antrieb des Widerstandes RM auf den Eichwiderstand RE umgeschaltet.
In die Brücke ist hierdurch an Stelle des Widerstandes RM der Widerstand Rv eingeschaltet,
der so bemessen ist, daß die Brücke für die von der Vergleichslampe auf die lichtelektrischen
Zellen einfallende Strahlung im Gleichgewicht ist. Hat sich gegenüber der letzten
Eicheinstellung die Empfindlichkeit der einen oder beider lichtelektrischen Zellen
geändert, so ist die Brücke nicht im Gleichgewicht, und über den Verstärker 4 und
den Motor M wird der Eichwiderstand RE eingestellt, bis das Brückengleichgewicht
wiederhergestellt ist. Das Zeitwerk 6 schaltet dann mit Hilfe des Umschalters 7
wieder den Widerstand RM ein und kuppelt den Antrieb des Motors M mit dem Schleifer
des Widerstandes RM.
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Gleichzeitig wird der Spiegel aus dem Strahlengang herausgeklappt,
so daß die Meßstrahlung wieder auf die lichtelektrischen Zellen treffen kann.
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Aus dem Prinzip nach Fig. 3 ist zu ersehen, wie die lichtelektrischen
Zellen, die Vergleichslampe und das optische Zubehör in Gerätegehäuse angeordnet
werden können. Das vom Strahler 1 einfallende Licht fällt durch das Objektiv 0 und
die ZwischenlinseZI auf den halbdurchlässigen Spiegel TS. Ein Teil des Lichtes gelangt
sodann auf die lichtelektrische Zelle Z1 der andere Teil auf die im gleichen Abstand
vom halbdurchlässigen Spiegel angeordnete Zelle Z2. Die außerdem in den Strahlenwegen
noch einzuschaltenden Farbfilter, Blenden, Graukeile u. dgl. sind nicht dargestellt.
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Der beschriebene Lichtweg ist nur möglich, wenn der Klappspiegel
2 sich in der mit I bezeichneten Lage befindet. Ist der Spiegel in die Lage II geklappt,
so wird die durch das Objektiv einfallende Strahlung auf der Rückseite des Spiegels
abgefangen und statt dessen gelangt die von der Vergleichslampe 3 ausgehende Strahlung,
die durch die Kondensorlinse K zusammengefaßt wird, über die Zwischenlinse Zl auf
die lichtelektrische Zelle.
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Die Zwischenlinse ZI und die Kondensorlinse K sind derart angeordnet,
daß bei der Stellung 1 des Klappspiegels die Eintrittsöffnung des Objektivs und
bei der Stellung II die Kondensorlinse in gleicher Größe und an der gleichen Stelle
auf den lichtelektrischen Zellen abgebildet wird. Hierdurch ist sichergestellt,
daß unabhängig vom Abstand und von der Größe des Strahlers das Bild auf beiden lichtelektrischen
Zellen die gleiche Größe behält und daß außerdem in der Stellung II des Klappspiegels
das Bild des Vergleichsstrahlers auf beiden Zellen die Größe des zu messenden Strahlers
aufweist. Bei örtlich schwankender Empfindlichkeit der lichtelektrischen Zellen
können somit keine Meßfehler auftreten.
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In Fig. 4 ist die gleiche Anordnung der Teile wie in Fig. 3 dargestellt.
Lediglich ist noch zusätzlich in den Strahlengang ein teildurchlässiger Spiegel
TS2 eingeschaltet, der einen Teil der Strahlung einem in das gleiche Gehäuse eingebauten
Pyrometer für die gleichzeitige Messung der schwarzen Temperatur der einfallenden
Strahlung zuführt. Zu diesem Zweck sind in diesem Strahlengang die Blende W und
eine ZwischenlinseZi2 angeordnet, durch die Strahlung auf ein Selenfotoelement SiN
für die objektive Messung der schwarzen Temperatur der Strahlung fällt.
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Durch die Blende ist sichergestellt, daß auch für die Schwarztemperaturmessung
oberhalb einer bestimmten Mindestgröße des Strahlers Entfernungsabhängigkeit der
Anzeige besteht.
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Die beschriebene Eicheinstellung kann in ähnlicher Weise auch für
die Meßeinrichtung der schwarzen Temperatur des Strahlers vorgesehen sein.