HU197962B - Arrangement for colorimetric measuring energy of electromagnetic beam pulses - Google Patents

Description

Elrendezés elektromágneses sugárimpulzusok kalorimeíriás elvű energiamérésére, amely elrendezés mérőfeje mérőabszorbert és referenciaabszorbert tartalmaz, melyek egy-egy hőeiemmel és közös hőkapacitással állnak termikus kapcsolatban, és a mérőfejhez elektronikus kiértékelőegység csatlakozik. A találmány szerinti elrendezés abszolút értéket mérő és közvetlen mutató mérőműszerek esetében alkalmazható sugárimpulzusok energiájának mérésére. Az elrendezés mérési tartománya időben a milliszekundum tartománytól a nanoszekundum tartományig terjed, míg a mérhető hullámhossztartomány az ibolyántúli sugárzástól egészen az infravörös sugárzásig húzódik.

A szakirodalomból, valamint a szabadalmi dokumentációból számos műszaki megoldás vált ismertté, elektromágneses sugárimpulzusok energiájának mérésére. Sugárimpulzusok energiájának kalorimeíriás elven történő mérésére a DD 160 325 számú szabadalmi leírás olyan megoldást ismertet, amelynél a kalorimeíriás mérési elv szerint a sugárzási energiát hőenergia révén hőmérsékletnövekedéssé alakítják át, amelyet mérnek, majd kiértékelnek. A sugárzási energiát ehhez a lehető legteljesebben kell abszorbeálni, mely célból az említett szabadalom üreges kúp alakú abszorbereket alkalmaz feketített fémből, grafitból vagy más hasonló anyagból. Ezzel a mérési elrendezéssel, amely a környezet zavaró hatásainak kiküszöbölésére differenciálelrendezésként van felépítve, igen pontos mérési eredmények nyerhetők, függetlenül a sugárzás beesési helyétől, eloszlásától és hullámhosszától.

Az elrendezés két abszorber elemből áll, méghozzá egy mérőabszorberbó'i és egy referenciaabszorberből, továbbá két hőelemből, egy tárolóként szolgáló hőkapacitásból és egy elektronikus kiértékelő kapcsolásból. A differenciálelrendezés miatt olyan abszorberekre van szükség, amelyek érzékenységüket, felfutási idejüket és lecsengés! időállandójukat tekintve abszolút azonos paraméterekkel rendelkeznek. Ez azonban bonyolultabb technológiai folyamatokkal, bonyolult mérő- és hitelesítési eljárásokkal és így jelentős gazdasági ráfordításokkal jár.

A mérőabszorber és a referenciaabszorber abszolút azonos felépítése esetén, mint az említett DD 160 325 számú szabadalmi leírás kiviteli példája is mutatja, lehetőség van a méréssorozat növelésére a referenciaabszorber visszafűtése révén. A referencia^ abszorber hőmérsékletkiegyenlítése a mérés után történik egyetlen visszafutó impulzus segítségével. Ekkor bekövetkezhet, hogy a referenciaabszorber hőmérséklete túllendül azon a nullponton, amely a mérőabszorber hőmérsékletének felel meg. Ahhoz, hogy ezt a nullponton való túllendülést, amely méréssorozat, illetve a mérési pontosság csökkenéséhez vezet, elkerülhessük, az említett hőmér2 sékletkiegyenlítést ugen bonyolult módon kell elvégezni.

A DD 132 544 számú szabadalmi leírás folyamatos elektromágneses sugárzás teljesítményének mérésére alkalmas kalorimétert ismertet. Ez a találmány különösen lézerek, akár nagyobb teljesítményű lézerek energiájának mérésére alkalmas és egy üreges kúpból áll, amelynek hőelvezető tárcsáján radiális hőmérséklet gradienseket meghatározó hőelemek vannak elrendezve, valamint elektronikus kiértékelőegysége van. Az említett műszaki megoldás hátránya abban áll, hogy az üreges kúp hőelvezető tárcsával való őszszekapcsolása igen magas technológiai ráfordítást követel meg és nem reprodukálható. Az ilyen típusú abszorberelemek differenciálelrendezés létrehozásához, a környezeti behatásoktól lehetőleg messzemenően független mérési eredmények elérésére nem alkalmasak, mivel az abszorberek abszolút azonos paraméterei a bonyolult gyártástechnológiával nem biztosíthatók. így sajnálatos módon az ismertetett megoldás elektromágneses sugárimpulzusok energiájának- igen pontos mérésére a környezeti befolyások kompenzációjának hiánya miatt nem alkalmas.

A találmánnyal célunk elektromágneses sugárimpulzusok energiájának mérésére alkalmas elrendezés létrehozása, amely mentes a felsorolt hiányosságoktól és amelynek mérési pontossága nagy mérésszám mellett és a környezeti befolyásoktól való lehető legnagyobb függetlenség mellett növelhető a ’ürési problémák és a gyártási ráfordítások egyidejű csökkentésével.

A találmánnyal megoldandó feladatot úgy határozhatjuk meg, hogy az elektromágneses sugárimpulzusok energiájának mérésére más elrendezést és a mérési eredmények kiértékelésére újfajta kapcsolást kellett megvalósítani.

A kitűzött feladatot elektromágneses sugárimpulzusok energiájának kalorimeíriás elvű mérésére alkalmas elrendezéssel oldottuk meg, amelynek különbségi mérésre alkalmas mérőfeje mérőabszorbert és referenciaabszorbert tartalmaz, melyek egy-egy hőelemmel és egy közös hőkapacitással állnak termikus kapcsolatban, és amelyhez elektronikus kiértékelőegység csatlakozik. Ezt az elrendezést a találmány értelmében úgy fejlesztettük tovább, hogy a mérőfej és a mérőabszorber bemenete között, a sugárzást átvezető csatornán kívül a mérőabszorberből kilépő szórási sugárzást felfogó optoelektronikus mérővevők vannak elrendezve, továbbá a hőelemek bemeneti erősítőre csatlakoznak, melynek kimenete meghatározott, azonos számú műveleti erősítővel és nullpont kompenzálófokozattal van összekapcsolva, továbbá a kiértékelőegység a mérőabszorber fűtőellenállásával összekötött impulzusgenerátort és a referenciaabszorber fíítőellenállásával összekötött visszafűtőegységet tartalmaz, és a*kiértékelőegységnek olyan vezérlőfokozata van.

-2197962 amely az optoeiektronikus mérővevőkkel, a nullpontkompenzáló fokozatokkal, a visszafutó fokozattal, valamint a kijelzőfokozattal áll összeköttetésben. A mérőabszorberből kilépő, el nem nyelt szórt sugárzást felfogó optoeiektronikus mérővevő a találmány szerinti elrendezés egy előnyös kiviteli alakja értelmében piroelektromos fólia vagy félvezető szenzor.

Előnyös továbbá a találmány értelmében, ha a műveleti erősítők és a nulípontkompenzáló fokozatok oly módon vannak összekapcsolva, hogy minden egyes mérési tartományhoz egy-egy sorbakapcsolt műveleti erősítő és nullpont kompenzáló fokozat tartozik, míg a többi mérési tartomány azonos felépítésű soros kapcsolásai ezzel párhuzamosan vannak összekötve.

A találmány szerinti elrendezés egy további előnyős kiviteli alakja értelmében viszszafűtőfokozatként teljesítményerősítő, kijelzőfokozatként pedig analóg-digitál átalakító és hozzá csatlakoztatott dekóderkijelző van beiktatva.

A találmány szerinti elrendezéssel nagy pontossággal mérhető az elektromágneses sugárimpulzusok energiája. A fütőellenállásokat tartalmazó két abszorber elrendezésével nagy mérési gyakoriság esetén szinte teljes környezeti függetlenség érhető el. A tűrési problémák redukálása mellett olyan készülék kialakítását értünk el, amely ezzel együtt átlagos műszaki ráfordítás mellett gazdaságosan gyártható.

A találmányt az alábbiakban a rajz segítségével ismertetjük részletesebben, amelyen a sugárimpulzusok energiájának mérésére alkalmas elrendezés egy lehetséges tömbvázlatát tűntettük tel.

A példaként ismertetett találmány szerinti elrendezés elektromágneses sugárimpulzusok energiájának mérésére két fő részből: 21 mérőfejből és 22 kíértékelőegységből áll. A kalorimetriás mérési elvnek megfelelően 21 mérőfejként a DD 160 325 számú szabadalmi leírásból ismertté vált differenciálelrendezést alkalmaztuk, amelyben 4 mérőabszorber és 5 referenciaabszorber található, melyek egy-egy 7 hőelemmel és egy közös hőkapacitással állnak termikus kapcsolatban. Ezt a 21 mérőfejet járulékosan 1 bemeneti zárral, valamint a mérendő sugárzást átvezető 2 átvezetőcsatornákon kívül 3 optoelektronikus mérővevőkkel láttuk el, melyek a 4 mérőabszorberről kilépő szórt sugárzás felfogására szolgálnak. A 7 hőelemek egy külső és egy belső, önmagában zárt, termikusán és elektromosan vezető lamellaszerkezetként vannak kialakítva. A lamellaelemek, melyek száma a kívánt pontosság függvényében változtatható, hőellenállás hidakon keresztül vannak egymással összekötve és a rajtuk átfolyó hőmennyiségek integrálására elektromosan sorba vannak kapcsolva. Különösen előnyösnek mutatkozik, ha a 7 hőelemeket a hőellenállás hidakkal egy termi4 kusan és elektromosan szigetelő alapanyagon áramvezető felületi alakzatként képezzük ki. A hőkapacitás termikusán jól vezető anyagból áll, amelynek hőkapacitása a 7 hőelemek hőkapacitásának sokszorosát teszik ki. A 4 mérőabszorber és az 5 referenciaabszorber, melyek érzékenységi, felfutási idő és lecsengési idő paramétereinek abszolút azonosaknak kell lenniük, üreges kúpként van kialakítva és feketített fémből, grafitból vagy üvegből áll. Az energiamérő elrendezés könynyű és abszolút hitelesíthetőségét azzal érjük el, hogy a 4 mérőabszorberhez rendelt 6 fütőellenálláshoz ismert energiamennyiséget vezetünk. Az energiamennyiség megmérése után az 5 referenciaabszorbert a hozzátartozó 6 fűtőeilenáilásokon keresztül a 4 mérőabszorberreí azonos hőmérsékletre melegítjük ismert hőmennyiség hozzávezetésével, így gyorsan létrehozható a mérésre kész állapot.

Az ábrán blokkvázlaton bemutatott 22 kiértékeiőegység elektromosan csatlakozik a 4 mérőabszorber és az 5 referenciaabszorber 6 fütőellenállásaihoz, valamint a 7 hő elemekhez. A mérendő 20 sugárimpuizusok az 1 bemeneti záron és a 2 átvezető csatornán át a 4 mérőabszorberre jutnak. A 4 mérőabszorber alakja és anyaga révén az elektromágneses sugárzás legnagyobb része elnyelődik és a 4 mérőabszorber hőmérsékletének emelkedését idézi elő. A keletkezett hő a tároló hőkapacitásba húzódik át, miáltal a 7 hőelemeken belül a hőmérséklet gradiensek révén termofeszültség keletkezik. A 7 hőelemek leírt kialakításával a mérendő sugárzás beesési helyétől függetlenül az összes differenciális hőmennyiség felfogható. A mérendő sugárzás csekély része nem nyelődik el a 4 mérőabszorberben, hanem azt szórt sugárzásként elhagyja, amelyet a 3 optoeiektronikus mérővevők fognak fel. A 3 optoeiektronikus mérővevők céljára fotodiódák, fototranzisztorok vagy piroelektromos fóliák alkalmazhatók előnyösen. A 22 kiértékelő egység 8 előerősítőjének bemenete a 21 mérőfej sorbakapcsolt 7 hőelemeivel áll kapcsolatban, míg kimenete jelen esetben három 10 műveleti erősítő bemenetére van párhuzamosan vezetve. A 10 műveleti erősítő kimenetei egy-egy 11 nullpontkompenzáló fokozat bemenetére csatlakoznak, melyek kimenete egyrészt 14 vezérlőfokozat bemenetelre, másrészt egy-egy 12 analóg kapcsolóra vannak vezetve. A 12 analóg kapcsolók kimenete közösítetten 15 kijelző fokozat bemenetére, valamint 13 visszafűtő fokozat bemenetére vannak kötve. A 14 vezérlőfokozat vezérlőbemenete a 21 mérőfej 3 optoeiektronikus mérővevőjével van összekötve, 16 vezérlővezetékei a 11 nullpontkompenzáló fokozatok vezérlőbemeneteivel, 17 vezérlővezetékei a 12 analóg kapcsolók vezérlőbemeneteivel, 18 vezérlővezetéke a 13 visszafütőfokozat vezérlőbemenetével és 19 vezérlővezetéke a 15 kijelzőfokozat vezérlőbeme3

-3197962 netével van összekötve. A 13 visszafűtőfokozát kímenete az 5 referenciaabszorber 6 fűtőellenállására csatlakozik, míg a 4 mérőabszorber 6 fütőellenállására a 22 kiértékelőegység 9 hitelesítő impulzusgenerátora van csatlakoztatva.

A 21 mérőfejjel kapott mérőjel a 22 kiértékelőegység 14 vezérlőfokozatára kerül, amely azonnal bekapcsolja a il nuilpontkompenzáló fokozatokat a 16 vezérlővezetéke.ken keresztül. A 10 műveleti erősítők és a 11 nullpontkompenzáló fokozatok az egyes méréstartományok számára párhuzamosan vannak elrendezve, ami minden egyes méréstartományra nullponthibamentes mérőjelet eredményez. A mérőfejállandóból, valamint a 3 optoelektronikus mérővevőkből meghatározott impulzusidőből a 14 vezérlőegység meghatározza a legkisebb hullámosság időpontját, azaz azt az időpontot, amikor a részsugárzások 4 mérőabszorberen történő különböző beeséséből adódó termikus jelleggörbék amplitúdói a legkisebb mértékben térnek el egymástól, így a lehető legnagyobb pontosságot biztosítják. Ebben az időpontban a 14 vezérlőfokozat 17 vezérlővezetékein át működtetve a 12 analóg kapcsolókat kiválasztja az optimális mérési tartományt, és a 7 hőelemek által létrehozott termofeszültséget a 8 előerősítő félerősítve az utánakapcsolt 10 műveleti erősítőn át a 11 nullpontkompenzáló fokozathoz vezeti. A 14 vezérlőfokozat a 19 vezérlővezetéken át aktiválja a 15 kijelzőfokozatot, amely jelen esetben analóg-digitál átalakítóból és ahhoz csatlakoztatott kijelződekóderből áll. Ekkor az analóg-digitál átalakító átveszi és tárolja a mért értéket. Ezután a teljesítményerősítőt tartalmazó 13 visszaíűtőfokozat, mely vezérlését ugyancsak a 14 vezérlőfokozattól kapja a 18 vezérlővezetéken át, egy első visszafűtőimpulzust bocsát ki, melynek időtartamát a mért sugárimpulzus energianagysága határozza meg. A 14 vezérlőfokozat eltárolja a mérendő sugárimpulzus kezdete és a legkisebb hullámosság időpontja közötti időtartamot, és ilyen időközökben ad ezután parancsot a 13 visszaíűtőfokozat részére további visszafűtőimpulzusok előállítására. A szükséges pontosság biztosítására meghatározott számú visszafűtőimpulzust határozunk meg, amelyet a 14 vezérlőfokozat tárol.

Claims (5)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Elrendezés elektromágneses sugárimpulzusok energiájának kalórimetriás elv szerinti mérésére, amelyben differenciálmérést biztosító mérőfej mérőabszorbert és referencíaabszorbert tartalmaz, melyek egy-egy hőelemmel és egy közös hőkapacitással állnak termikus kapcsolatban, továbbá amelyhez

   5 elektronikus kiértékelő egység van csatlakoztatva, azzal jellemezve, hogy bemeneti zárként (1) kiképzett mérőfej (21) bemenete és a mérőabszorber (4) között, a mérendő sugárimpulzusok (20) által átjárt átvezetőcsa10 tornán (
2. 2) kívül a mérőabszorberről (4) kiváló szórt sugárzást felfogó optoelektronikus mérővevők (3) vannak elrendezve, továbbá a termoelemek (7) a kiértékelőegység (22) bemeneti előerősítőjéhez (8) vannak ve15 zetve, amely azonos számú műveleti erősítőre (10) és azokkal sorbakapcsolt nullpontkompenzáló fokozatra (11) van párhuzamosan csatlakoztatva, továbbá a mérőabszorber (4) fűtőellenállásával (6) a kiérté20 kelőegység (22) hitelesítő ímpulzusgenerátoa (9), és a referenciaabszorber (5) fűtőellenállásával (6) a kiértékelőegység (22) visszafűtőfokozata (13) van összekötve, továbbá a kiértékelőegység (22) vezérlőfokoza25 ta (14) egyrészt a mérőfej (21) optoelektronikus mérővevőivel (3), másrészt vezérlővezetékeken (16) át a nullpontkompenzáló fokozatok (11) vezérlőbemeneteivel, további vezérlővezetékeken át az analóg kapcsolók (12) ₃₀ vezérlőbemeneteivel, további vezérlővezetéken (18) át a visszaíűtőfokozat (13) vezérlőbemenetével és további vezérlővezetéken (19) át kijelzőfokozat (15) vezérlőbemenetével van összekapcsolva.

   35 2. Az 1. igénypont szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a mérőabszorbert (4) elhagyó szórt sugárzást felfogó optoelektronikus mérővevőként (3) piroelektromos fóliák vannak beiktatva.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy egy-egy mérési tartomány számára egy-egy műveleti erősítő (10) és egy-egy nullpontkompenzáló fokozat (11) van sorbakapcsolva, és a külön⁴⁵ böző mérési tartományokhoz tartozó műveleti erősítő (10) — nullpontkompenzáló fokozat (11) soros tagok egymással párhuzamosan vannak kapcsolva.

   ₅₀
4. 4. Az 1—3. igénypontok bármelyike szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a kijelzőfokozat (15) analóg-digitál átalakítóból és utánakapcsolt kijelző dekóderből áll.
5. 5. Az 1—4. igénypontok bármelyike szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy viszszafűtőíokozatként (13) teljesítményerősítő van beiktatva.