WO2012092944A1 - Method and device for determining the radiance of an infrared radiation source - Google Patents

Method and device for determining the radiance of an infrared radiation source Download PDF

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WO2012092944A1
WO2012092944A1 PCT/EP2011/006178 EP2011006178W WO2012092944A1 WO 2012092944 A1 WO2012092944 A1 WO 2012092944A1 EP 2011006178 W EP2011006178 W EP 2011006178W WO 2012092944 A1 WO2012092944 A1 WO 2012092944A1
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radiance
absolute
radiation source
spectrum
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PCT/EP2011/006178
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Sven Linow
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Heraeus Noblelight Gmbh
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J2001/4247Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors for testing lamps or other light sources
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the spectral radiance of a radiation source in at least a first wavelength range.
  • the radiance in different wavelength ranges of relevance. Limits are defined via these radiances, which must not be exceeded.
  • the EU Artificial Optical Radiation Directive 2006/25 / EC and the Machinery Directive 2006/42 / EC prescribe the measurement and assessment of the radiation emitted by installations, in particular in the infrared range.
  • CEN 12198-1, -2 and -3 and CEN 14255 and IEC 62471 each define procedures or procedures that are not technically feasible in the infrared.
  • CONFIRMATION COPY 3 the determination of the risk of retinal combustion in the range of 780 nm to 1400 nm (IR-A) for sources with a weak visual stimulus.
  • the spectral radiance has to be determined at suitable measuring locations.
  • the spectral radiances are to be folded by means of spectral weights for blue light hazard or spectral weighting for retinal combustion.
  • the radiance or the spectrally weighted radiance for the determination of the retinal hazard may be determined by one of the following methods A, B and C according to CEN 14255-2, Annex E; the radiance or the spectrally weighted radiance for the determination of blue light hazard (380 nm to 780 nm) can be determined by one of the following methods D to Q according to CEN 14255-2, Annex E; radiance or spectrally weighted radiance for determination of retinal hazard with low visual stimulus (780 nm to 1400 nm) may be determined by one of the following methods A, B and C according to CEN 14255-2, Annex E; In this case, the discussion of cases A, B and C is sufficient, since the other cases represent variations of the same methods:
  • the required acceptance angle for the detector depends on the angular extent of the radiation source, d. h .: If the angular extent is smaller than or equal to 1, 7 mrad, the acceptance angle must be equal to 1.7 mrad. If the angular extent is greater than 1.7 mrad, the acceptance angle must not exceed the angular extent. In no case may the acceptance angle exceed 100 mrad. For an inhomogeneous radiation field, the acceptance angle must be sufficient to resolve inhomogeneities down to 1.7 mrad.
  • a measuring device using this method is not commercially available for the wavelength range up to 1400 nm.
  • a spectroradiometer with scanning monochromator scans the different radiation wavelengths step by step. Radiation density and radiance dose can be measured with suitable input optics or diaphragms. The result of the measurement is a spectrum that can be used to perform calculations of the weighted and unweighted radiance. Reliable results can only be obtained if the radiation flux density is constant during the sampling time.
  • the instrument is suitable for calibration and the calibration should not be significantly altered during the performance of the measurement task, ie during the evaluation of the radiation of at least one unit.
  • the device must be easy to handle and survive in harsh industrial environments over the long term.
  • At least two different detectors must be used to cover the spectral range, so that the device will be extended by a detector changer, possibly a grating changer or the like.
  • the response of semiconductor detectors generally varies greatly with wavelength, requiring regular adjustments of the optical system and calibration of the measuring equipment: in addition to the meter, the user must have an optical laboratory with suitable personnel to ensure the operation of this apparatus.
  • the disadvantage is therefore the complex operation of such a spectroscopic radiometer, because the cost of the measurement quickly exceeds the cost of the device under test.
  • a spectroradiometer with array detector measures all different wavelengths at the same time, no mechanical scanning is necessary.
  • 1-dimensional detector arrays in which the measured spectrum is projected onto a series of detectors (e.g., a photodiode array) using a grating and
  • 2-dimensional detector arrays that allow significantly improved stray light rejection as compared to 1-dimensional detector arrays.
  • the measured spectrum is subdivided into a set of subspectra which are separated (geometrically separated) by means of a Echelle grating and cross-dispersion Vorzerlegers on a 2-dimensional array of detectors, for example, a camera chip is projected.
  • the result of the measurement is a radiation spectrum that can be used to perform evaluated and unweighted radiance calculations.
  • Radiation density and radiance dose can be measured with suitable input optics or diaphragms. Reliable results can be obtained if the radiation intensity has changed or remained constant during the measurement, provided that such measurements are within the response time of the instrument.
  • spectral sensitivity of, for example, 550-1000 nm, Si 512 / 850-1650 nm, InGaAs 256, / 850 - 1650 nm, InGaAs 512/1100 - 2100 nm, InGaAs 256/1200 - 2200 nm, InGaAs 256/1300 - 2500 nm (current product portfolio of Polytec, Waldbrunn).
  • the measurement object is to be positioned in front of the measuring device and suitable in all spatial directions and angles to procedures - this is of course only partially solvable for larger objects, such as electric arc furnaces for steelmaking.
  • EN 14255-2: 2005 offers the same procedures as for measuring the radiance in the VIS and IR-A. Therefore, even for the implementation of these standards, there is no manageable device that can actually incorporate or implement all the characteristics mentioned in EN 14255-2: 2005. However, it is conceivable that with the use of two Spektroradiometern with array detectors and suitable optics, the measurement task can be carried out satisfactorily overall, since the devices required here are actually intended for manual operation and as directed here sizes are to be determined. The measurement must then be performed once for the range of about 380 nm to 900 nm and a second time with identical position and orientation in the spectral range from about 900 nm to 1400 nm.
  • the required quantities can then be determined by evaluating the spectral data with defined weighting functions and subsequent numerical integration.
  • the effort to implement the proposed method remains high and costly.
  • a measurement of the radiance proposed in IEC 62471: 2009 is derived from the measurement of the irradiance, if suitable diaphragms are used. Especially at small angles - the standards go to 11 mrad - as sensitive as possible detectors are used.
  • Certain radiation sources exhibit non-gray behavior. Such sources are on the one hand discharge lamps, as they are used in the flash-Iamp assisted RTP, but they can also be ceramic surfaces, which are used as emitters of infrared radiation. Examples are the IR emitters disclosed in DE 824 976 C and in DE 101 63 087 B4. For the latter, the process according to the invention which is presented below can only be implemented if the emission spectra are not known because of the lack of disclosure of the oxides used. Further IR emitters are disclosed in DE 102 17 011 A1, in which many oxides are listed without any assignment of the oxides to spectral effects, and US Pat. No. 5,447,786, in which rare-earth oxides are disclosed as selectively radiating materials - here this applies same.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art.
  • the simplest possible, variable and well deployable under difficult conditions method and apparatus for this purpose should be provided.
  • the task is also to provide a method that allows to determine with reasonable effort and simple device, the required data in sufficient quality to meet the requirements for the assessment of the risk emanating from such machines to comply.
  • the object of the invention is achieved in that the absolute spectrally integrated radiance is measured in a second wavelength range and the type of radiation source is assigned at least one correction factor with which the absolute spectrally integrated radiance is corrected in the second wavelength range, so that the corrected value of absolute spectrally integrated beam density in the second wavelength range of at least one beam density in the first wavelength range corresponds.
  • the second wavelength range comprises the at least one first wavelength range.
  • the type of radiation source defines the emission spectrum.
  • At least one of the first wavelength ranges is in the infrared wavelength range, preferably the first and second wavelength ranges are in the infrared wavelength range.
  • a development of the invention provides that the corrected value of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range corresponds to the radiance in the first wavelength range with an accuracy of 50%, preferably with an accuracy of 25%, particularly preferably with an accuracy of 10%.
  • the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is multiplied by at least one correction factor, so that the corrected Value of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range corresponds to at least one radiance in the first wavelength range.
  • the corrected value or the corrected values of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is output as radiance or radiance in the first wavelength range or, preferably, on a display, an expression and / or a electronic data output.
  • An advantageous embodiment of the method provides that the type of radiation source is determined on the basis of preset groups, with gray emitters in particular forming a group or being defined as part of a common group.
  • correction factors are assigned for different first wavelength ranges, in particular for the visible spectrum from 380 nm to 700 nm (VIS) for determining the blue light hazard, for the spectrum from 380 nm to 1400 nm (VIS and IR-A).
  • IR-A 780 nm to 1400 nm
  • IR-A and IR-B 780 nm to 3000 nm
  • VIS, IR-A and IR-B 380 nm to 3000 nm
  • the absolute, spectrally integrated radiance is measured in a second wavelength range with a detector, which is preferably cooled with water. Water cooling allows comparable measurements even at higher beam densities.
  • the detector absorbs spectrally flat, preferably in the range between 200 nm and 20 pm, more preferably between 300 nm and 10 pm.
  • the second wavelength range in which the absolute spectrally integrated radiance is measured between 200 nm and 20 ⁇ , preferably between 300 nm and 10 pm.
  • the radiance of the radiation source is determined in at least a first infrared wavelength range.
  • a further embodiment of the invention can provide that the type of radiation source is determined and / or input or the correction factor is input.
  • Particularly advantageous methods may be distinguished by the fact that, depending on the correction factor, the measured absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range and the at least one first wavelength range, a signal is generated which indicates whether a limit value is exceeded with respect to the at least one first wavelength range.
  • a measuring device which is used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is calibrated before the measurement.
  • Methods according to the invention can also be characterized in that a measuring device which is used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is aligned for the measurement with respect to the radiation source.
  • the measuring device used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is aligned differently with the radiant source, preferably the maximum measured value for calculating the radiance is used in the first wavelength range.
  • Inventive methods for determining safety-relevant emissions of infrared irradiation devices can also provide that the required quantities are measured with a device provided for this purpose, in particular the relevant temperature which determines the thermal spectrum is determined and the intensities are determined on the basis of attached tables.
  • the object of the invention is also achieved by a device for determining the radiance of a radiation source in at least a first wavelength range with such a method, wherein the device comprises a detector which measures the absolute spectrally integrated radiance in a second wavelength range, comprising a memory unit the at least one correction factor is stored, comprising a computing unit with which the radiance of the radiation source in the at least one first wavelength range from the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range with the Korrek- is calculatable and comprises an output device, via which the result of the calculation can be output and / or displayed.
  • the detector comprises a thermocouple or a plurality of thermocouples, which absorb the radiation in the second wavelength range during the measurement.
  • Devices according to the invention can also be characterized in that a reflector is arranged in front of the detector, which reflects radiation from the radiation source onto the detector.
  • the detector and preferably also the reflector is connected to a cooling device or are, in particular to a water cooling.
  • a further embodiment of the invention provides that the device comprises an input device with which the type of radiation source can be input and that a correction factor is assigned to each type of radiation source.
  • IR-A 780 nm to 1400 nm
  • IR-A and IR-B 780 nm to 3000 nm
  • VIS, IR-A and IR-B 380 nm to 3000 nm
  • the invention is based on the surprising finding that the measuring method and the apparatus are not adapted to the spectral range in order to carry out the measurement directly in the desired range, but the entire spectrum is measured in order to determine the radiance in the desired range when the radiation source is known Wavelength range to calculate. This considerably simplifies the method and the device, so that it is even possible to use it even under difficult industrial conditions. In addition, a single method or a single device is sufficient to determine the different beam densities in the most varied wavelength ranges. If the provisions for the regulations change, new correction factors and possibly new limit values can simply be used, or in the memory of the device instead of consuming the filters and using expensive new filters. The invention thus provides a simple universal measuring device. The basic nature of the radiation source is usually well known or can be determined beforehand under laboratory conditions.
  • An essential inventive idea is therefore to completely dispense with the complex spectrally resolved measurement and instead to perform a complete and good measurement of spectrally integrated information in reverse. This is technically possible with components available today in an industrial environment without requiring additional laboratory operation, and without the measurement becoming more expensive than the device to be measured.
  • a method according to the invention therefore makes it possible to record as many relevant data as possible by means of a measurement, to evaluate the data directly by means of a few previously determined values and properties of the system to be evaluated by comparison with tables and thus to perform the measuring task directly, on site and quickly and inexpensively ,
  • a cost-effective measuring device is proposed, which does not have to be operated by specialists and which provides the required tables for general cases.
  • FIG. 1 shows a diagram of the emitted radiant power evaluated with the spectral weighting (for thermal damage) as a function of the temperature of a gray radiator;
  • Figure 2 is a graph of the proportion of the weighted radiance in the specified wavelength bands in the total radiance of a gray radiator, ie the correction factor.
  • FIG. 3 a diagram of the relative spectral sensitivity of the eye for the day after CIE and the transmission of a filter
  • FIG. 4 shows a diagram of the emitted radiation power, evaluated with the spectral weighting (for thermal damage) and reduced by the filter function from FIG. 3, as a function of the temperature of a gray radiator; and
  • FIG. 5 shows a diagram of the correction factors for determining the radiance for the specified spectral ranges from the total measured spectrally integrated radiance for filtered radiation according to FIG. 3.
  • thermocouples are suitable, which absorb the radiation as heat, and whose temperature is a direct measure of the recorded radiation power and thus for the irradiance.
  • the electromagnetic radiation is absorbed by the sensor and converted into heat, which is then measured by the thermocouples as a temperature.
  • the thermocouples thus measure the absolute spectrally integrated irradiance of a radiation source over a large wavelength range.
  • the thermocouples or the sensor can be coated with a black layer that absorbs as much electromagnetic radiation and converts it into heat.
  • thermocouples may be used, for example platinum-rhodium / platinum thermocouples (type S) may be used at high temperatures, while iron-copper / nickel (type J) or for medium irradiance nickel may be used for radiation sources with lower irradiance -Chrom / nickel (type K) sufficient and can be used.
  • platinum-rhodium / platinum thermocouples type S
  • iron-copper / nickel type J
  • medium irradiance nickel may be used for radiation sources with lower irradiance -Chrom / nickel (type K) sufficient and can be used.
  • thermocouples are in a defined thermal state and the measurement is not falsified by other heat sources or heat sinks
  • a water cooling is provided, which cools the detector.
  • a strong cooling capacity of the water cooling is advantageous, since it is then ensured that the heat flows from the thermocouples into the detector remain the same regardless of other heat flows and thus the individual measurements are well comparable.
  • thermocouples are shielded from disturbing heat flows from the direction of the aperture.
  • the detector further comprises a computing and storage unit and a display.
  • the computing and storage unit is an electronic computer with an electronic memory, as these are available as commercially available integrated circuits or as a computer.
  • different correction factors are available for different types of radiation sources 0% to 100%, or from 0 to 1, respectively, with which the absolute spectrally integrated radiant intensity measured with the sensor is multiplied by the spectrally weighted effective radiant intensity generated by a radiation source and incident at a certain angular extent to calculate a desired spectral range. The calculation takes place in the arithmetic unit.
  • the arithmetic unit displays the result on the display so that it can be read by a user of the device.
  • a time average and the current values of the weighted radiance of a radiation source can be displayed.
  • the display can also display the wavelength range to which the value of the radiance of a radiation source refers.
  • a limit can be displayed. It is advantageous if a colored coding or additional characters on the display shows whether the limit value has been adhered to well (green numbers), the measured value is close to the limit value (yellow numbers) or the measured value exceeds the limit value (red numbers ), or which class corresponds to the measured value.
  • a simple LCD display can be used, which is controlled by the arithmetic unit.
  • the type of radiation source can be selected via an input device (not shown), for example a keyboard or also via a wheel for scrolling, from different types of radiation sources, which are displayed on the display, before the actual measurement.
  • the device is aligned with the aperture for beam limitation in the direction of a radiation source, so that a radiating surface element of the radiation source is located above the opening of the reflector.
  • the emanating from the surface element electromagnetic radiation falls partly through the aperture directly on the thermocouples.
  • thermocouples absorb some of the electromagnetic radiation and heat up. The heat generated is largely dissipated via the water cooling.
  • Different radiation sources have different radiation characteristics for different wavelength ranges.
  • Typical examples are gray emitters, which behave like black emitters in accordance with Planck's law of radiation, whereby the emissivity indicates how exactly the gray emitter of the radiation characteristic of the black emitter equivalent. Since with gray emitters the different wavelengths are all equally influenced, the emissivity for the present measurement of the irradiance of a radiation source is irrelevant, so that for all gray emitters in particular only a temperature-dependent correction factor can be used.
  • other correction factors must be stored in the memory.
  • the correction factors can be determined by once (already at the manufacturer of the device or at the user) by spectroscopic method, the entire spectrum of such a radiation source is recorded. Subsequently, the ratio of the total irradiance in the spectrum absorbed by the thermocouples to the irradiance in the desired wavelength range is formed. This quotient is the correction factor.
  • the total, angle-independent irradiation For devices for measuring the radiance in the wavelength ranges VIS + IR-A and IR-A, the total, angle-independent irradiation.
  • a suitable spectrally broadband absorbing detector is used.
  • thermopile detector (with thermocouples) can be used which absorbs at least spectrally flat at least in the range 380 nm to 10 ⁇ m, preferred are those detectors which absorb spectrally flat in the range from 200 nm to 20 ⁇ m.
  • This device can now measure the total radiance
  • the water cooling diaphragms are essential so that they do not influence the measuring result of the detector due to their own thermal load.
  • the detector itself is also provided with cooling due to the possible high radiation load.
  • Such a detector for example, also complies with the requirements of IEC 62471, but without allowing spectrally resolved measurements.
  • FIG. 1 shows in a diagram the irradiance already evaluated with the spectral weighting as a function of the temperature of a gray radiator in different normalized, fixed wavelength ranges
  • FIG. 2 shows the proportion of the already spectrally weighted radiance of a gray radiator, which is radiated in the relevant wavelength ranges as a function of the temperature, relative to the irradiance of the gray radiator in the entire spectrum.
  • Measuring device for effective radiance in VIS + IR-A and IR-A It is the entire angle-dependent, or over a defined angle range occurring radiation needed.
  • a broadband detecting detector is used together with a device which generates the required angular resolution by means of water-cooled diaphragms.
  • the apertures are arranged so that they capture the angular extent of the considered source. For this purpose, they must be set between the normatively set limits.
  • Measuring task are the spotlights visible from the measuring position, or sources and their temperature relevant to the detector. For the normative task position, distance and angular orientation of the sources are to be documented.
  • data for the spectral information is to be included. This is the temperature of the considered source for thermal emitters for each spot. In the case of band radiators or thermal radiation that passes through a filter, suitable data must be recorded to characterize these elements.
  • the measured values can be converted into the required beam densities by means of the diagrams according to FIGS. 1 to 5 or by means of tables. 6. These values can then be used to carry out the risk assessment in accordance with the valid standard or guideline.
  • the presented method yields measured values that represent an absolute spectrally integrated radiance. From these measured values, the relevant variable integrated over a specific spectral range should be determined as simply as possible. This can be done with knowledge of the emission spectrum using tables or diagrams. In the following, this is explained for special cases.
  • gray thermal radiator 1st example, gray thermal radiator:
  • the usual secondary radiant materials, such as ceramic linings, chamottes, insulating mats, but also temperature-resistant steels can be considered in good approximation as gray emitters.
  • the emission spectrum of a surface element is determined only by its temperature.
  • the emitted radiation power of a surface element can in each case be determined directly from the diagrams for the individual spectral ranges shown in FIG. 3, in which the numerical value associated with the temperature is multiplied by the emissivity of the surface element.
  • the radiance of a particular spectral band can be determined by multiplying the measured radiance by the correction factor for that spectral band and for the temperature of the emission source, reading the correction factor from FIG.
  • Such sources are on the one hand discharge lamps, as they are used in the flash-assisted RTP, but they can also be ceramic surfaces that are used as emitters of infrared radiation.
  • the emission spectra must be determined only once, or if the emission of the surface depends on the temperature, also at different temperatures. However, this can be done under laboratory conditions.
  • the measured spectra can be used directly as a basis for numerical integration over the required spectral ranges.
  • the method according to the invention can be used when the spectral transmission of the filter has been previously determined and the filter itself does not contribute to the emission, ie it is sufficiently cool or only in IR-B or IR. C emitted.
  • the spectral transmission of the filter can be determined once for example by means of Fourier transform spectroscopy.
  • a suitable weighting function must be determined, which evaluates the variation in absorbance at different angles under the radiation passing through the filter onto the meter. With predominantly perpendicular transmission, this function is almost equal to 1. Then the Planck formula is evaluated and weighted with the spectral absorption of the filter before the numerical integration for the spectral regions takes place.
  • FIG. 3 shows the relative spectral sensitivity of the eye for daytime vision according to CIE and the transmission of a filter.
  • a filter for so-called anti-glare infrared radiators are often used gold-based chandelier coatings, these have their significant absorption in the VIS and have in the infrared in IR-A and IR-B only a small absorption.
  • the absorption in the IR-C is due to the quartz glass as a carrier material.
  • FIG. 5 shows the correction factors required for determining the radiance for the specified spectral ranges from the total measured spectrally integrated radiance.
  • the correction factors determined therefrom for the individual spectral bands can also be stored directly in the evaluation unit for further automation of the measurement, so that the required value is displayed directly. However, since several values are required for one measured value, it is more advantageous to carry this out subsequently.

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Abstract

The invention relates to a method for determining the radiance of a radiation source in at least one first wavelength range, wherein the absolute spectrally integrated radiance is measured in a second wavelength range, the type of radiation source is assigned at least one correction factor with which the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is corrected, with the result that the corrected value of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range corresponds to the at least one radiance in the first wavelength range. The invention also relates to a device for determining the radiance of a radiation source in at least one first wavelength range by means of such a method, wherein the device comprises a detector, which measures the absolute spectrally integrated radiance in a second wavelength range, the device comprises a storage unit, in which at least one correction factor is stored, the device comprises a computing unit, which can be used to calculate, from the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range, the radiance of the radiation source in the at least one first wavelength range with the correction factor, and the device comprises an output unit, by means of which the result of the calculation can be output and/or can be displayed.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER STRAHLDICHTE EINER INFRAROT STRAHLUNGSQUELLE  METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE RADIATION DENSITY OF AN INFRARED RADIATION SOURCE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der spektralen Strahldichte einer Strahlungsquelle in zumindest einem ersten Wellenlängenbereich. The invention relates to a method and a device for determining the spectral radiance of a radiation source in at least a first wavelength range.
Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, auch im infraroten Bereich sind im Stand der Technik bekannt. Häufig ist jedoch nicht nur der absolute Wert der Strahldichte von Interesse, der über einen ganzen Bereich des Spektrums integriert wird, sondern auch die spektrale Verteilung der Intensität der Strahlung. Die Intensität elektromagnetischer Strahlung wirkt bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich stark. Dazu liefern spektroskopische Messungen ausreichende Daten. Die Aufnahme eines Spektrums vor allem über einen großen Wellenlängenbereich ist aber sehr aufwendig. Methods for measuring electromagnetic radiation, in particular of light, also in the infrared range are known in the prior art. Frequently, however, not only is the absolute value of the radiance of interest integrated over an entire range of the spectrum, but also the spectral distribution of the intensity of the radiation. The intensity of electromagnetic radiation acts differently at different wavelengths. Spectroscopic measurements provide sufficient data for this purpose. The recording of a spectrum especially over a large wavelength range is very expensive.
Auch für viele Sicherheitsbestimmungen ist die Strahldichte in verschiedenen Wellenlängenbereichen von Relevanz. Über diese Strahldichten werden Grenzwerte definiert, die nicht überschritten werden dürfen. For many safety regulations, the radiance in different wavelength ranges of relevance. Limits are defined via these radiances, which must not be exceeded.
Die EU Richtlinie zur künstlichen optischen Strahlung, 2006/25/EG und die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG schreiben die Messung und Bewertung der von Anlagen abgegebenen Strahlung vor, insbesondere im infraroten Bereich. Insbesondere die CEN 12198-1 , -2 und -3 sowie die CEN 14255 und die IEC 62471 definieren jeweils Verfahren oder Vorgehensweisen, die jedoch im Infraroten nicht technisch umsetzbar sind. The EU Artificial Optical Radiation Directive 2006/25 / EC and the Machinery Directive 2006/42 / EC prescribe the measurement and assessment of the radiation emitted by installations, in particular in the infrared range. In particular, CEN 12198-1, -2 and -3 and CEN 14255 and IEC 62471 each define procedures or procedures that are not technically feasible in the infrared.
Die relevanten Messungen für Infrarot-Elektrowärmeanlagen betreffen [2006/25/EG, IEC 62471 :2008] The relevant measurements for infrared electrical heating systems concern [2006/25 / EC, IEC 62471: 2008]
1. die Ermittlung der Blaulichtgefährdung im Bereich von 380 nm bis 700 nm (VIS). 1. the determination of blue light hazard in the range of 380 nm to 700 nm (VIS).
2. die Ermittlung der Gefährdung der Netzhautverbrennung im Bereich von 380 nm bis 1400 nm (VIS und IR-A). 2. the determination of the risk of retinal combustion in the range of 380 nm to 1400 nm (VIS and IR-A).
BESTÄTIGUNGSKOPIE 3. die Ermittlung der Gefährdung der Netzhautverbrennung im Bereich von 780 nm bis 1400 nm (IR-A) für Quellen mit schwachem visuellem Reiz. CONFIRMATION COPY 3. the determination of the risk of retinal combustion in the range of 780 nm to 1400 nm (IR-A) for sources with a weak visual stimulus.
4. die Ermittlung der Gefährdung der Hornhautverbrennung im Bereich von 780 nm bis 3000 nm (IR-A und IR-B). 4. the determination of the risk of corneal burning in the range of 780 nm to 3000 nm (IR-A and IR-B).
5. die Ermittlung der Gefährdung der Verbrennung der Haut im Bereich von 380 nm bis 3000 nm (VIS, IR-A und IR-B). 5. the determination of the risk of burning of the skin in the range of 380 nm to 3000 nm (VIS, IR-A and IR-B).
Für die Fälle 1. 2. und 3. muss die spektrale Strahldichte an geeigneten Messorten bestimmt werden. Zusätzlich sind die spektralen Strahldichten mittels spektraler Gewichtungen für Blaulichtgefährdung oder spektraler Gewichtung für Netzhautverbrennung zu falten. For cases 1. 2. and 3. the spectral radiance has to be determined at suitable measuring locations. In addition, the spectral radiances are to be folded by means of spectral weights for blue light hazard or spectral weighting for retinal combustion.
Eine besonders ausführliche Diskussion der möglichen Messmethoden findet sich in der europäischen Norm CEN 14255-2, Anhang E. Die in dieser Schrift verwendeten Begriffe sind in ihrer Definition nach der Norm IEC 62471 :2009 verwendet und werden hier nicht erneut eingeführt und hiermit aufgenommen. A particularly detailed discussion of possible measurement methods can be found in the European standard CEN 14255-2, Annex E. The terms used in this specification are used in their definition in accordance with the IEC 62471: 2009 standard and are not reintroduced herewith and are hereby incorporated by reference.
Die Strahldichte oder die spektral gewichtete Strahldichte zur Ermittlung der Netzhautgefährdung (380 nm bis 1400 nm) kann mit einem der folgenden Verfahren A, B und C nach CEN 14255-2, Anhang E ermittelt werden; die Strahldichte oder die spektral gewichtete Strahldichte zur Ermittlung der Blaulichtgefährdung (380 nm bis 780 nm) kann mit einem der folgenden Verfahren D bis Q nach CEN 14255-2, Anhang E ermittelt werden; die Strahldichte oder die spektral gewichtete Strahldichte zur Ermittlung der Netzhautgefährdung bei geringem visuellen Stimulus (780 nm bis 1400 nm) kann mit einem der folgenden Verfahren A, B und C nach CEN 14255-2, Anhang E ermittelt werden; hierbei genügt die Diskussion der Fälle A, B und C, da die weiteren Fälle Variationen der immer gleichen Methoden darstellen: The radiance or the spectrally weighted radiance for the determination of the retinal hazard (380 nm to 1400 nm) may be determined by one of the following methods A, B and C according to CEN 14255-2, Annex E; the radiance or the spectrally weighted radiance for the determination of blue light hazard (380 nm to 780 nm) can be determined by one of the following methods D to Q according to CEN 14255-2, Annex E; radiance or spectrally weighted radiance for determination of retinal hazard with low visual stimulus (780 nm to 1400 nm) may be determined by one of the following methods A, B and C according to CEN 14255-2, Annex E; In this case, the discussion of cases A, B and C is sufficient, since the other cases represent variations of the same methods:
Verfahren A (Radiometer in effektiver Strahldichte (thermische Schädigung der Netzhaut) kalibriert): Method A (radiometer calibrated in effective radiance (thermal damage to the retina)):
1. Messung des tatsächlichen Durchmessers D der Strahlungsquelle, des Betrachtungsabstands r und des Betrachtungswinkels Φ. 1. Measurement of the actual diameter D of the radiation source, the viewing distance r and the viewing angle Φ.
2. Berechnung des Betrachtungsdurchmessers der Strahlungsquelle, siehe CEN 1 255-2, Gleichung (13). 3. Berechnung der Winkelausdehnung der Strahlungsquelle, siehe CEN 14255-2, Gleichung (14). 2. Calculation of the observation diameter of the radiation source, see CEN 1 255-2, equation (13). 3. Calculation of the angular extent of the radiation source, see CEN 14255-2, equation (14).
4. Messung der thermischen Netzhaut-Strahldichte im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1400 nm mit einem Radiometer, das für die Messung der thermischen Netzhaut- Strahldichte kalibriert ist. Der geforderte Akzeptanzwinkel für den Detektor hängt von der Winkelausdehnung der Strahlungsquelle ab, d. h.: Ist die Winkelausdehnung kleiner o- der gleich 1 ,7 mrad, muss der Akzeptanzwinkel gleich 1 ,7 mrad betragen. Ist die Winkelausdehnung größer als 1 ,7 mrad, darf der Akzeptanzwinkel die Winkelausdehnung nicht überschreiten. In keinem Fall darf der Akzeptanzwinkel einen Wert von 100 mrad überschreiten. Bei einem inhomogenen Strahlungsfeld muss der Akzeptanzwinkel zureichend sein, um Inhomogenitäten bis hinunter zu 1 ,7 mrad aufzulösen. 4. Measurement of the thermal retinal beam density in the wavelength range from 380 nm to 1400 nm with a radiometer calibrated for the measurement of the thermal retinal beam density. The required acceptance angle for the detector depends on the angular extent of the radiation source, d. h .: If the angular extent is smaller than or equal to 1, 7 mrad, the acceptance angle must be equal to 1.7 mrad. If the angular extent is greater than 1.7 mrad, the acceptance angle must not exceed the angular extent. In no case may the acceptance angle exceed 100 mrad. For an inhomogeneous radiation field, the acceptance angle must be sufficient to resolve inhomogeneities down to 1.7 mrad.
5. Messung der Expositionsdauer. 5. Measurement of exposure duration.
6 Berechnung des geltenden Grenzwerts unter Verwendung der Expositionsdauer und der Winkelausdehnung. 6 Calculation of the applicable limit using exposure time and angular spread.
7. Vergleich der gemessenen thermischen Netzhaut-Strahldichte mit dem geltenden 7. Comparison of the measured thermal retinal radiance with the applicable
Grenzwert.  Limit.
Ein Messgerät, das dieses Verfahren nutzt, steht für den Wellenlängenbereich bis 1400 nm kommerziell nicht zur Verfügung. A measuring device using this method is not commercially available for the wavelength range up to 1400 nm.
Verfahren B (Spektroradiometer mit Scanning-Monochromator): Method B (spectroradiometer with scanning monochromator):
1. Messung des tatsächlichen Durchmessers der Strahlungsquelle, des Betrachtungsabstands und des Betrachtungswinkels. 1. Measurement of the actual diameter of the radiation source, the viewing distance and the viewing angle.
2. Berechnung des Betrachtungsdurchmessers der Strahlungsquelle, siehe CEN 14255-2, Gleichung (13). 2. Calculation of the observation diameter of the radiation source, see CEN 14255-2, equation (13).
3. Berechnung der Winkelausdehnung, siehe CEN 14255-2, Gleichung (14). 3. Calculation of the angular extent, see CEN 14255-2, equation (14).
4. Messung der spektralen Strahldichte im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1 400 nm mit einem Scanning-Spektroradiometer. Der geforderte Akzeptanzwinkel für den Detektor hängt von der Winkelausdehnung der Strahlungsquelle ab. 5. Berechnung der thermischen Netzhaut-Strahldichte für den Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1 400 nm, siehe CEN 14255-2, Gleichung (9), darin ist eine Faltung der spektralen Strahldichte mit der spektralen Gewichtung vorgeschrieben. 4. Measurement of the spectral radiance in the wavelength range from 380 nm to 1 400 nm with a scanning spectroradiometer. The required acceptance angle for the detector depends on the angular extent of the radiation source. 5. Calculation of the thermal retinal radiance for the wavelength range from 380 nm to 1 400 nm, see CEN 14255-2, equation (9), which requires a convolution of the spectral radiance with the spectral weighting.
6. Messung der Expositionsdauer. 6. Measurement of exposure duration.
7. Berechnung des geltenden Grenzwerts unter Verwendung der Expositionsdauer und der Winkelausdehnung. 7. Calculation of the applicable limit using the exposure time and the angular extent.
8. Vergleich der gemessenen thermischen Netzhaut-Strahldichte mit dem geltenden 8. Comparison of the measured thermal retinal radiance with the applicable
Grenzwert.  Limit.
Ein Spektroradiometer mit Scanning-Monochromator tastet die unterschiedlichen Strahlungswellenlängen schrittweise ab. Mit einer geeigneten Eingangsoptik oder Blenden können Strahldichte und Strahldichtedosis gemessen werden. Das Ergebnis der Messung ist ein Spektrum, das zur Durchführung von Berechnungen der bewerteten und unbewerteten Strahlstärke verwendet werden kann. Zuverlässige Ergebnisse können nur erhalten werden, wenn die Strahlungsflussdichte während der Abtastzeit konstant ist. A spectroradiometer with scanning monochromator scans the different radiation wavelengths step by step. Radiation density and radiance dose can be measured with suitable input optics or diaphragms. The result of the measurement is a spectrum that can be used to perform calculations of the weighted and unweighted radiance. Reliable results can only be obtained if the radiation flux density is constant during the sampling time.
Ein solches Spektroradiometer mit Scanning-Monochromator muss, um technisch einsetzbar zu sein, die folgenden zusätzlichen Eigenschaften erfüllen: Such a spectroradiometer with scanning monochromator must, to be technically feasible, have the following additional properties:
1. Es müssen geeignet empfindliche Detektoren zur Verfügung stehen, die den benötigten Spektralbereich abdecken. 1. Appropriately sensitive detectors must be available to cover the required spectral range.
2. Das Gerät ist geeignet zu kalibrieren und die Kalibrierung darf sich während der Durchführung der Messaufgabe - also während der Bewertung der Strahlung zumindest einer Anlage - nicht wesentlich verstellen. 2. The instrument is suitable for calibration and the calibration should not be significantly altered during the performance of the measurement task, ie during the evaluation of the radiation of at least one unit.
3. Das Gerät muss einfach handhabbar sein und in rauer industrieller Umgebung langfristig bestehen. 3. The device must be easy to handle and survive in harsh industrial environments over the long term.
Es müssen zur Abdeckung des Spektralbereichs zumindest zwei unterschiedliche Detektoren verwendet werden, damit wird das Gerät um einen Detektorwechsler, gegebenenfalls einem Gitterwechsler oder ähnlichem zu erweitern sein. Das Ansprechverhalten von Halbleiterdetektoren variiert allgemein stark mit der Wellenlänge, so dass regelmäßige Justagen des optischen Systems und Kalibrierung der Messapparatur notwendig sind: Neben dem Messgerät muss der Anwender also über ein optisches Labor mit geeignetem Personal verfügen, um den Betrieb dieser Apparatur zu sichern. Nachteilig ist also der aufwendige Betrieb eines solchen Spektro- radiometers, da die Kosten für die Messung schnell die Kosten des zu untersuchenden Gerätes übersteigen. At least two different detectors must be used to cover the spectral range, so that the device will be extended by a detector changer, possibly a grating changer or the like. The response of semiconductor detectors generally varies greatly with wavelength, requiring regular adjustments of the optical system and calibration of the measuring equipment: in addition to the meter, the user must have an optical laboratory with suitable personnel to ensure the operation of this apparatus. The disadvantage is therefore the complex operation of such a spectroscopic radiometer, because the cost of the measurement quickly exceeds the cost of the device under test.
Verfahren C (Spektroradiometer mit Array-Detektor): Method C (Spectroradiometer with Array Detector):
1. Messung des tatsächlichen Durchmessers der Strahlungsquelle, des Betrachtungsabstands und des Betrachtungswinkels. 1. Measurement of the actual diameter of the radiation source, the viewing distance and the viewing angle.
2. Berechnung des Betrachtungsdurchmessers der Strahlungsquelle, siehe CEN 14255-2, Gleichung (13). 2. Calculation of the observation diameter of the radiation source, see CEN 14255-2, equation (13).
3. Berechnung der Winkelausdehnung, siehe CEN 14255-2, Gleichung (14). 3. Calculation of the angular extent, see CEN 14255-2, equation (14).
4. Messung der spektralen Strahldichte im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1 400 nm mit einem Array-Spektroradiometer. Der geforderte Akzeptanzwinkel für den Detektor hängt von der Winkelausdehnung der Strahlungsquelle ab. 4. Measurement of the spectral radiance in the wavelength range from 380 nm to 1 400 nm with an array spectroradiometer. The required acceptance angle for the detector depends on the angular extent of the radiation source.
5 Berechnung der thermischen Netzhaut-Strahldichte für den Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1400 nm, siehe CEN 14255-2, Gleichung (9), darin ist eine Faltung der spektralen Strahldichte mit der spektralen Gewichtung vorgeschrieben. 5 Calculation of the thermal retinal beam density for the wavelength range from 380 nm to 1400 nm, see CEN 14255-2, equation (9), in which a folding of the spectral radiance is prescribed with the spectral weighting.
6. Messung der Expositionsdauer. 6. Measurement of exposure duration.
7. Berechnung des geltenden Grenzwerts unter Verwendung der Expositionsdauer und der Winkelausdehnung. 7. Calculation of the applicable limit using the exposure time and the angular extent.
8. Vergleich der gemessenen thermischen Netzhaut-Strahldichte mit dem geltenden 8. Comparison of the measured thermal retinal radiance with the applicable
Grenzwert.  Limit.
Ein Spektroradiometer mit Array-Detektor misst sämtliche unterschiedliche Wellenlängen zugleich, es ist keine mechanische Abtastbewegung notwendig. Es wird zwischen zwei unterschiedlichen Gerätearten unterschieden: A spectroradiometer with array detector measures all different wavelengths at the same time, no mechanical scanning is necessary. There are two different types of devices:
1- dimensionalen Detektoranordnungen, bei denen das gemessene Spektrum unter Verwendung eines Gitters auf eine Reihe von Detektoren projiziert wird (zum Beispiel eine Photodiodenanordnung) und 1-dimensional detector arrays in which the measured spectrum is projected onto a series of detectors (e.g., a photodiode array) using a grating and
2- dimensionale Detektoranordnungen, die, verglichen mit 1-dimensionalen Detektoranordnungen, eine deutlich verbesserte Streulichtunterdrückung ermöglichen. Das gemessene Spektrum wird in einen Satz Unterspektren unterteilt, die (geometrisch getrennt) mittels eines Echellegitters und Kreuzdispersions-Vorzerlegers auf eine 2-dimensionale Anordnung von Detektoren, zum Beispiel einen Kamerachip projiziert wird. 2-dimensional detector arrays that allow significantly improved stray light rejection as compared to 1-dimensional detector arrays. The measured spectrum is subdivided into a set of subspectra which are separated (geometrically separated) by means of a Echelle grating and cross-dispersion Vorzerlegers on a 2-dimensional array of detectors, for example, a camera chip is projected.
Das Ergebnis der Messung ist ein Strahlungsspektrum, das zur Durchführung von Berechnungen der bewerteten und unbewerteten Strahldichte verwendet werden kann. Mit einer geeigneten Eingangsoptik oder Blenden können Strahldichte und Strahldichtedosis gemessen werden. Es können zuverlässige Ergebnisse erhalten werden, wenn sich die Strahlungsintensität während der Messung verändert hat oder konstant geblieben ist, vorausgesetzt, dass derartige Messungen innerhalb der Ansprechzeit des Geräts liegen. The result of the measurement is a radiation spectrum that can be used to perform evaluated and unweighted radiance calculations. Radiation density and radiance dose can be measured with suitable input optics or diaphragms. Reliable results can be obtained if the radiation intensity has changed or remained constant during the measurement, provided that such measurements are within the response time of the instrument.
Es zeigt sich jedoch bei Prüfung des Markts vorhandener IR-Messgeräte, dass solche Geräte nicht für den benötigten Spektralbereich zur Verfügung stehen - heute industriell nutzbare Geräte weisen eine spektrale Empfindlichkeit auf von zum Beispiel 550 - 1000 nm, Si 512 / 850 - 1650 nm, InGaAs 256, / 850 - 1650 nm, InGaAs 512 / 1100 - 2100 nm, InGaAs 256 /1200 - 2200 nm, InGaAs 256 /1300 - 2500 nm (aktuelles Produktportfolio der Firma Polytec, Waldbrunn). However, when examining the market for existing IR measuring devices, it becomes apparent that such devices are not available for the required spectral range - industrially usable devices today have a spectral sensitivity of, for example, 550-1000 nm, Si 512 / 850-1650 nm, InGaAs 256, / 850 - 1650 nm, InGaAs 512/1100 - 2100 nm, InGaAs 256/1200 - 2200 nm, InGaAs 256/1300 - 2500 nm (current product portfolio of Polytec, Waldbrunn).
Weder deckt ein Gerät den benötigten Spektralbereich ab, noch decken zwei Geräte den Spektralbereich ab. Das Verfahren kann also nicht wie gewünscht umgesetzt werden. Die vorhandenen Halbleiterdetektoren müssen regelmäßig kalibriert werden. Neben dem Messgerät muss der Anwender also, wie auch beim Verfahren B, über ein optisches Labor mit geeignetem Personal verfügen, um den Betrieb dieser Apparatur zu sichern. Nachteilig ist also ferner der aufwendige Betrieb eines solchen Spektroradiometers, da die Kosten für die Messung schnell die Kosten des zu untersuchenden Gerätes übersteigen. No device covers the required spectral range, nor cover two devices from the spectral range. The process can not be implemented as desired. The existing semiconductor detectors must be calibrated regularly. In addition to the measuring device, the user must therefore have, as in the case of method B, an optical laboratory with suitable personnel in order to ensure the operation of this apparatus. Another disadvantage is the complex operation of such a spectroradiometer, since the cost of the measurement quickly exceed the cost of the device to be examined.
Hierzu ist für jeden Anwender des Verfahrens ein Laborbetrieb mit geeignetem Personal vorzusehen, da solche Aufbauten nur noch unter großen Mühen transportiert werden können und nach dem Transport erneut zu justieren sind. For this purpose, a laboratory operation with suitable personnel is provided for each user of the method, since such structures can be transported only with great difficulty and are to be readjusted after transport.
Vielmehr ist das Messobjekt vor dem Messgerät zu positionieren und geeignet in allen Raumrichtungen und Winkeln zu Verfahren - dies ist naturgemäß für größere Objekte, wie zum Beispiel Elektrobogenöfen für die Stahlerzeugung nur bedingt lösbar. Rather, the measurement object is to be positioned in front of the measuring device and suitable in all spatial directions and angles to procedures - this is of course only partially solvable for larger objects, such as electric arc furnaces for steelmaking.
Für die Strahldichte im VIS (Blaulichtgefährdung), bzw. nur im IR-A (Gefährdung der netzhaut bei geringem visuellen Reiz) bietet die EN 14255-2:2005 dieselben Verfahren an, wie für die Messung der Strahldichte im VIS und IR-A. Daher gibt es auch für die Umsetzung dieser Normen keine handhabbare Vorrichtung, die alle in der EN 14255-2:2005 genannten Eigenschaften tatsächlich umfasst oder umsetzen kann. Es ist jedoch denkbar, dass mit dem Einsatz von zwei Spektroradiometern mit Array-Detektoren und geeigneten Optiken die Messaufgabe insgesamt zufriedenstellend durchgeführt werden kann, da die hier benötigten Geräte tatsächlich für Handbetrieb vorgesehen sind und da hier gerichtete Größen zu bestimmen sind. Die Messung muss dann einmal für den Bereich von etwa 380 nm bis 900 nm und ein zweites Mal mit identischer Position und Ausrichtung im Spektralbereich von etwa 900 nm bis 1400 nm durchgeführt werden. For the radiance in the VIS (blue light hazard), or only in IR-A (endangerment of the retina with little visual irritation), EN 14255-2: 2005 offers the same procedures as for measuring the radiance in the VIS and IR-A. Therefore, even for the implementation of these standards, there is no manageable device that can actually incorporate or implement all the characteristics mentioned in EN 14255-2: 2005. However, it is conceivable that with the use of two Spektroradiometern with array detectors and suitable optics, the measurement task can be carried out satisfactorily overall, since the devices required here are actually intended for manual operation and as directed here sizes are to be determined. The measurement must then be performed once for the range of about 380 nm to 900 nm and a second time with identical position and orientation in the spectral range from about 900 nm to 1400 nm.
Aus den Spektren können dann die benötigten Größen durch Bewertung der spektralen Daten mit festgelegten Gewichtungsfunktionen und nachfolgender numerischer Integration bestimmt werden. Der Aufwand zur Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens bleibt aber hoch und kostenintensiv. From the spectra, the required quantities can then be determined by evaluating the spectral data with defined weighting functions and subsequent numerical integration. The effort to implement the proposed method remains high and costly.
Eine Messung der Strahldichte, die in der IEC 62471 :2009 vorgeschlagen wird, leitet sich aus der Messung der Bestrahlungsstärke ab, wenn geeignete Blenden eingesetzt werden. Insbesondere bei kleinen Winkeln - die Normen gehen bis 11 mrad - sind möglichst empfindliche Detektoren einzusetzen. A measurement of the radiance proposed in IEC 62471: 2009 is derived from the measurement of the irradiance, if suitable diaphragms are used. Especially at small angles - the standards go to 11 mrad - as sensitive as possible detectors are used.
Die Messung der Strahldichte wird bei rein thermischen Strahlern geringer Oberflächentemperatur nicht benötigt, da die Grenzwerte der Normen und Richtlinien bei Temperaturen bis 1500 °C nicht erreicht werden. Darüber hinaus, sowie bei Verwendung von Bogenentladungen, in Lichtbogenöfen, bei„Are-" und„Flashlamps", wie zum Beispiel in„Flash-Iamp assisted" RTP hingegen sind diese Messungen notwendig. The measurement of the radiance is not required for purely thermal radiators with low surface temperature, since the limits of the standards and directives are not reached at temperatures up to 1500 ° C. In addition, as well as when using arc discharges, in arc furnaces, in "Are" and "Flashlamps", as for example in "Flash-Iamp assisted" RTP, these measurements are necessary.
Bestimmte Strahlenquellen weisen ein nicht-graues Verhalten auf. Solche Quellen sind zum Einen Entladungslampen, wie sie bei der Flash-Iamp assisted RTP eingesetzt werden, es können aber auch keramische Oberflächen sein, die als Emitter der Infrarotstrahlung eingesetzt werden. Beispiele sind die in der DE 824 976 C und in der DE 101 63 087 B4 offenbarten IR- Strahler. Für letztere ist das im Weiteren vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren mangels Offenbarung der verwendeten Oxide nur nach Messung der Emissionsspektren umsetzbar. Weitere IR-Strahler sind in der DE 102 17 011 A1 , in der viele Oxide ohne jede Zuordnung der Oxide zu spektralen Effekten aufgelistet sind, sowie der US 5,447,786 offenbart, in der Oxide der Seltenen Erden als selektiv abstrahlende Materialien offenbart werden - hier gilt das gleiche. Der Stand der Technik zeigt also, dass es zwar Lösungsvorschläge gibt, diese aber für den Praktiker zu komplex, zu unhandlich, zu teuer oder in einigen Fällen noch gar nicht umsetzbar sind. Nachteilig am Stand der Technik ist also, dass der Aufwand zur Umsetzung der vorgeschlagenen Verfahren sehr hoch ist, die Kosten sehr hoch sind und die vorgeschlagenen Verfahren teilweise noch gar nicht umsetzbar sind. Certain radiation sources exhibit non-gray behavior. Such sources are on the one hand discharge lamps, as they are used in the flash-Iamp assisted RTP, but they can also be ceramic surfaces, which are used as emitters of infrared radiation. Examples are the IR emitters disclosed in DE 824 976 C and in DE 101 63 087 B4. For the latter, the process according to the invention which is presented below can only be implemented if the emission spectra are not known because of the lack of disclosure of the oxides used. Further IR emitters are disclosed in DE 102 17 011 A1, in which many oxides are listed without any assignment of the oxides to spectral effects, and US Pat. No. 5,447,786, in which rare-earth oxides are disclosed as selectively radiating materials - here this applies same. The state of the art thus shows that although there are proposed solutions, these are too complex for the practitioner, too unwieldy, too expensive or, in some cases, not feasible at all. A disadvantage of the prior art is therefore that the cost of implementing the proposed method is very high, the cost is very high and the proposed methods are partially not even feasible.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein möglichst einfaches, variables und auch unter schwierigen Bedingungen gut einsetzbares Verfahren und eine Vorrichtung hierzu zur Verfügung gestellt werden. Die Aufgabe ist es auch, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, mit zumutbarem Aufwand und einfachem Gerät die benötigten Daten in ausreichender Qualität zu ermitteln, um den Forderungen an die Bewertung des Risikos das von solchen Maschinen ausgeht, nachzukommen. The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art. In particular, the simplest possible, variable and well deployable under difficult conditions method and apparatus for this purpose should be provided. The task is also to provide a method that allows to determine with reasonable effort and simple device, the required data in sufficient quality to meet the requirements for the assessment of the risk emanating from such machines to comply.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die absolute spektral integrierte Strahldichte in einem zweiten Wellenlängenbereich gemessen wird und der Art der Strahlungsquelle zumindest ein Korrekturfaktor zugeordnet wird, mit dem die absolute spektral integrierte Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich korrigiert wird, so dass der korrigierte Wert der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich der zumindest einen Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich entspricht. The object of the invention is achieved in that the absolute spectrally integrated radiance is measured in a second wavelength range and the type of radiation source is assigned at least one correction factor with which the absolute spectrally integrated radiance is corrected in the second wavelength range, so that the corrected value of absolute spectrally integrated beam density in the second wavelength range of at least one beam density in the first wavelength range corresponds.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der zweite Wellenlängenbereich den zumindest einen ersten Wellenlängenbereich umfasst. It can be provided that the second wavelength range comprises the at least one first wavelength range.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Art der Strahlungsquelle das Emissionsspektrum definiert. Furthermore, it can be provided that the type of radiation source defines the emission spectrum.
Auch kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der ersten Wellenlängenbereiche im infraroten Wellenlängenbereich liegt, vorzugsweise der erste und der zweite Wellenlängenbereich im Infraroten Wellenlängenbereich liegen. It can also be provided that at least one of the first wavelength ranges is in the infrared wavelength range, preferably the first and second wavelength ranges are in the infrared wavelength range.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der korrigierte Wert der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich der Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich mit einer Genauigkeit von 50%, bevorzugt mit einer Genauigkeit von 25%, besonders bevorzugt mit einer Genauigkeit von 10% entspricht. A development of the invention provides that the corrected value of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range corresponds to the radiance in the first wavelength range with an accuracy of 50%, preferably with an accuracy of 25%, particularly preferably with an accuracy of 10%.
Auch kann vorgesehen sein, dass die absolute spektral integrierte Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich mit zumindest einem Korrekturfaktor multipliziert wird, so dass der korrigierte Wert der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich zumindest einer Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich entspricht. It can also be provided that the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is multiplied by at least one correction factor, so that the corrected Value of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range corresponds to at least one radiance in the first wavelength range.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der korrigierte Wert oder die korrigierten Werte der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich als Strahldichte oder Strahldichten im ersten Wellenlängenbereich ausgegeben wird oder werden, vorzugweise auf einer Anzeigeeinrichtung, einem Ausdruck und/oder über eine elektronische Datenausgabe. According to a development of the method according to the invention, it can be provided that the corrected value or the corrected values of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is output as radiance or radiance in the first wavelength range or, preferably, on a display, an expression and / or a electronic data output.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Art der Strahlungsquelle anhand von voreingestellten Gruppen bestimmt wird, wobei insbesondere graue Strahler eine Gruppe bilden oder als Teil einer gemeinsamen Gruppe definiert werden. An advantageous embodiment of the method provides that the type of radiation source is determined on the basis of preset groups, with gray emitters in particular forming a group or being defined as part of a common group.
Ferner kann vorgesehen sein, dass für verschiedene erste Wellenlängenbereiche verschiedene Korrekturfaktoren zugeordnet werden, insbesondere für das sichtbare Spektrum von 380 nm bis 700 nm (VIS) zur Ermittlung der Blaulichtgefährdung, für das Spektrum von 380 nm bis 1400 nm (VIS und IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 1400 nm (IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 3000 nm (IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hornhautverbrennungen und/oder für das Spektrum von 380 nm bis 3000 nm (VIS, IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hautverbrennungen. Furthermore, it can be provided that different correction factors are assigned for different first wavelength ranges, in particular for the visible spectrum from 380 nm to 700 nm (VIS) for determining the blue light hazard, for the spectrum from 380 nm to 1400 nm (VIS and IR-A). for determining the hazard of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 1400 nm (IR-A) for determining the risk of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 3000 nm (IR-A and IR-B) for determining the hazard of corneal burns and / or for the spectrum from 380 nm to 3000 nm (VIS, IR-A and IR-B) to determine the risk of skin burns.
Auch kann vorgesehen sein, dass die absolute, spektral integrierte Strahldichte in einem zweiten Wellenlängenbereich mit einem Detektor gemessen wird, der vorzugsweise mit Wasser gekühlt wird. Die Wasserkühlung erlaubt vergleichbare Messungen auch bei höheren Strahldichten. It can also be provided that the absolute, spectrally integrated radiance is measured in a second wavelength range with a detector, which is preferably cooled with water. Water cooling allows comparable measurements even at higher beam densities.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Detektor spektral flach absorbiert, vorzugsweise im Bereich zwischen 200 nm und 20 pm, besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 10 pm. It can be provided that the detector absorbs spectrally flat, preferably in the range between 200 nm and 20 pm, more preferably between 300 nm and 10 pm.
Eine erfindungsgemäße Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der zweite Wellenlängenbereich, in dem die absolute spektral integrierte Strahldichte gemessen wird, zwischen 200 nm und 20 μητι liegt, vorzugsweise zwischen 300 nm und 10 pm. An inventive development of the method provides that the second wavelength range in which the absolute spectrally integrated radiance is measured, between 200 nm and 20 μητι, preferably between 300 nm and 10 pm.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Strahldichte der Strahlungsquelle in zumindest einem ersten infraroten Wellenlängenbereich bestimmt wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Art der Strahlungsquelle bestimmt wird und/oder eingegeben wird oder der Korrekturfaktor eingegeben wird. It can also be provided that the radiance of the radiation source is determined in at least a first infrared wavelength range. A further embodiment of the invention can provide that the type of radiation source is determined and / or input or the correction factor is input.
Besonders vorteilhafte Verfahren können sich dadurch auszeichnen, dass abhängig vom Korrekturfaktor, der gemessenen absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich und dem zumindest einen ersten Wellenlängenbereich ein Signal erzeugt wird, das anzeigt, ob ein Grenzwert bezogen auf den zumindest einen ersten Wellenlängenbereich überschritten wird. Particularly advantageous methods may be distinguished by the fact that, depending on the correction factor, the measured absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range and the at least one first wavelength range, a signal is generated which indicates whether a limit value is exceeded with respect to the at least one first wavelength range.
Auch kann vorgesehen sein, dass eine Messeinrichtung, die zum Messen der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich verwendet wird, vor der Messung kalibriert wird. It can also be provided that a measuring device which is used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is calibrated before the measurement.
Erfindungsgemäße Verfahren können sich auch dadurch auszeichnen, dass eine Messeinrichtung, die zum Messen der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich verwendet wird, zur Messung bezogen auf die Strahlungsquelle ausgerichtet wird. Methods according to the invention can also be characterized in that a measuring device which is used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is aligned for the measurement with respect to the radiation source.
Auch kann vorgesehen sein, dass bei der Messung der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich die Messeinrichtung, die zum Messen der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich verwendet wird, unterschiedlich zur Strahlungsquelle ausgerichtet wird, wobei vorzugsweise der maximale gemessene Wert zur Berechnung der Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich verwendet wird. It can also be provided that in the measurement of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range, the measuring device used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is aligned differently with the radiant source, preferably the maximum measured value for calculating the radiance is used in the first wavelength range.
Erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung sicherheitsrelevanter Emissionen von Infrarotbestrahlungsvorrichtungen können auch vorsehen, dass die benötigten Größen mit einem dazu vorgesehenen Geräten gemessen werden, insbesondere die relevante Temperatur, die das thermische Spektrum bestimmt, bestimmt wird und die Intensitäten anhand von beigefügten Tabellen ermittelt werden. Inventive methods for determining safety-relevant emissions of infrared irradiation devices can also provide that the required quantities are measured with a device provided for this purpose, in particular the relevant temperature which determines the thermal spectrum is determined and the intensities are determined on the basis of attached tables.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strahldichte einer Strahlungsquelle in zumindest einem ersten Wellenlängenbereich mit einem solchen Verfahren, wobei die Vorrichtung einen Detektor umfasst, der die absolute spektral integrierte Strahldichte in einem zweiten Wellenlängenbereich misst, eine Speichereinheit umfasst, in dem zumindest ein Korrekturfaktor gespeichert ist, eine Recheneinheit umfasst, mit der aus der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich die Strahldichte der Strahlungsquelle in dem zumindest einen ersten Wellenlängenbereich mit dem Korrek- turfaktor berechenbar ist, und eine Ausgabeeinrichtung umfasst, über die das Ergebnis der Berechnung ausgebbar und/oder anzeigbar ist. The object of the invention is also achieved by a device for determining the radiance of a radiation source in at least a first wavelength range with such a method, wherein the device comprises a detector which measures the absolute spectrally integrated radiance in a second wavelength range, comprising a memory unit the at least one correction factor is stored, comprising a computing unit with which the radiance of the radiation source in the at least one first wavelength range from the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range with the Korrek- is calculatable and comprises an output device, via which the result of the calculation can be output and / or displayed.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Detektor ein Thermoelement oder mehrere Thermoelemente umfasst, die während der Messung die Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich absorbieren. It can be provided that the detector comprises a thermocouple or a plurality of thermocouples, which absorb the radiation in the second wavelength range during the measurement.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen können sich auch dadurch auszeichnen, dass vor dem Detektor ein Reflektor angeordnet ist, der Strahlung der Strahlungsquelle auf den Detektor reflektiert. Devices according to the invention can also be characterized in that a reflector is arranged in front of the detector, which reflects radiation from the radiation source onto the detector.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Detektor und vorzugsweise auch der Reflektor an eine Kühlvorrichtung angeschlossen ist oder sind, insbesondere an eine Wasserkühlung. Furthermore, it can be provided that the detector and preferably also the reflector is connected to a cooling device or are, in particular to a water cooling.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Eingabeeinrichtung umfasst, mit der die Art der Strahlungsquelle eingebbar ist und dass jeder Art der Strahlungsquelle ein Korrekturfaktor zugeordnet ist. A further embodiment of the invention provides that the device comprises an input device with which the type of radiation source can be input and that a correction factor is assigned to each type of radiation source.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass für verschiedene erste Wellenlängenbereiche verschiedene Korrekturfaktoren im Speicher hinterlegt sind, insbesondere für das sichtbare Spektrum von 380 nm bis 700 nm (VIS) zur Ermittlung der Blaulichtgefährdung, für das Spektrum von 380 nm bis 1400 nm (VIS und IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 1400 nm (IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 3000 nm (IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hornhautverbrennungen und/oder für das Spektrum von 380 nm bis 3000 nm (VIS, IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hautverbrennungen. Finally, provision can be made for different correction factors to be stored in the memory for different first wavelength ranges, in particular for the visible spectrum from 380 nm to 700 nm (VIS) for determining blue light hazard, for the spectrum from 380 nm to 1400 nm (VIS and IR). A) for the determination of the risk of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 1400 nm (IR-A) for the determination of the risk of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 3000 nm (IR-A and IR-B) for detection the endangerment of corneal burns and / or for the spectrum from 380 nm to 3000 nm (VIS, IR-A and IR-B) to determine the risk of skin burns.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass nicht das Messverfahren und die Vorrichtung an den spektralen Bereich angepasst wird, um die Messung in dem gewünschten Bereich direkt durchzuführen, sondern es wird das gesamte Spektrum gemessen, um dann bei bekannter Strahlungsquelle die Strahldichte in dem gewünschten Wellenlängenbereich zu berechnen. Dies vereinfacht das Verfahren und die Vorrichtung erheblich, so dass ein Einsatz auch unter schwierigen industriellen Bedingungen teilweise überhaupt erst möglich wird. Zudem reicht ein einziges Verfahren beziehungsweise eine einzige Vorrichtung aus, um die unterschiedlichen Strahldichten in verschiedensten Wellenlängenbereichen zu bestimmen. Ändern sich die Bestimmungen für die Vorschriften, können einfach neue Korrekturfaktoren und gegebenenfalls neue Grenzwerte verwendet werden, beziehungsweise im Speicher der Vorrichtung hinterlegt werden, anstatt aufwendig die Filter auszutauschen und teure neue Filter einzusetzen. Die Erfindung liefert also ein einfaches Universalmessgerät. Die grundsätzliche Art der Strahlungsquelle ist nämlich meist gut bekannt oder kann vorher unter Laborbedingungen bestimmt werden. The invention is based on the surprising finding that the measuring method and the apparatus are not adapted to the spectral range in order to carry out the measurement directly in the desired range, but the entire spectrum is measured in order to determine the radiance in the desired range when the radiation source is known Wavelength range to calculate. This considerably simplifies the method and the device, so that it is even possible to use it even under difficult industrial conditions. In addition, a single method or a single device is sufficient to determine the different beam densities in the most varied wavelength ranges. If the provisions for the regulations change, new correction factors and possibly new limit values can simply be used, or in the memory of the device instead of consuming the filters and using expensive new filters. The invention thus provides a simple universal measuring device. The basic nature of the radiation source is usually well known or can be determined beforehand under laboratory conditions.
Ein wesentlicher erfinderischer Gedanke ist es also, auf die komplexe spektral aufgelöste Messung vollständig zu verzichten und stattdessen in Umkehrung eine möglichst vollständige und gute Messung der spektral integrierten Information durchzuführen. Dies ist mit heute erhältlichen Komponenten technisch in einem industriellen Umfeld möglich, ohne dass ein zusätzlicher Laborbetrieb benötigt wird, und ohne dass die Messung teurer wird, als das zu vermessende Gerät. An essential inventive idea is therefore to completely dispense with the complex spectrally resolved measurement and instead to perform a complete and good measurement of spectrally integrated information in reverse. This is technically possible with components available today in an industrial environment without requiring additional laboratory operation, and without the measurement becoming more expensive than the device to be measured.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren erlaubt es also, mit einer Messung möglichst viele relevante Daten aufzunehmen, die Daten mittels einiger zuvor bestimmter Werte und Eigenschaften der zu bewertenden Anlage durch Vergleich mit Tabellen direkt zu bewerten und so die Messaufgabe direkt, vor Ort und schnell wie kostengünstig zu erledigen. Hierzu wird ein kostengünstiges Messgerät vorgeschlagen, das nicht von Spezialisten bedient werden muss und das die benötigten Tabellen für allgemeingültige Fälle zur Verfügung stellt. A method according to the invention therefore makes it possible to record as many relevant data as possible by means of a measurement, to evaluate the data directly by means of a few previously determined values and properties of the system to be evaluated by comparison with tables and thus to perform the measuring task directly, on site and quickly and inexpensively , For this purpose, a cost-effective measuring device is proposed, which does not have to be operated by specialists and which provides the required tables for general cases.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von fünf Diagrammen erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt: In the following, embodiments of the invention will be explained with reference to five diagrams, without, however, limiting the invention. Showing:
Figur 1 : ein Diagramm der emittierten mit der spektralen Gewichtung (für thermische Schädigung) bewerteten Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Temperatur eines grauen Strahlers; FIG. 1 shows a diagram of the emitted radiant power evaluated with the spectral weighting (for thermal damage) as a function of the temperature of a gray radiator;
Figur 2: ein Diagramm des Anteils der gewichteten Strahldichte in den angegebenen Wellenlängenbändern an der gesamten Strahldichte eines grauen Strahlers, also des Korrekturfaktors; Figure 2 is a graph of the proportion of the weighted radiance in the specified wavelength bands in the total radiance of a gray radiator, ie the correction factor.
Figur 3: ein Diagramm der relativen spektralen Empfindlichkeit des Auges für die Sicht bei Tag nach CIE und die Transmission eines Filters; FIG. 3: a diagram of the relative spectral sensitivity of the eye for the day after CIE and the transmission of a filter;
Figur 4: ein Diagramm der emittierten mit der spektralen Gewichtung (für thermische Schädigung) bewerteten und um die Filterfunktion aus Figur 3 reduzierten Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Temperatur eines grauen Strahlers; und Figur 5: ein Diagramm der Korrekturfaktoren zur Ermittlung der Strahldichte für die angegeben spektralen Bereiche aus der gesamten gemessenen spektral integrierten Strahldichte für gefilterte Strahlung nach Figur 3. FIG. 4 shows a diagram of the emitted radiation power, evaluated with the spectral weighting (for thermal damage) and reduced by the filter function from FIG. 3, as a function of the temperature of a gray radiator; and FIG. 5 shows a diagram of the correction factors for determining the radiance for the specified spectral ranges from the total measured spectrally integrated radiance for filtered radiation according to FIG. 3.
Für den Bereich des sichtbaren Lichts bis tief in den infraroten Bereich (IR) hinein eignen sich beispielsweise Thermoelemente, die die Strahlung als Wärme aufnehmen, und deren Temperatur ein direktes Maß für die aufgenommene Strahlungsleistung und damit für die Bestrahlungsstärke ist. Die elektromagnetische Strahlung wird vom Sensor absorbiert und in Wärme umgewandelt, die dann durch die Thermoelemente als Temperatur gemessen wird. Die Thermoelemente messen also die absolute spektral integrierte Bestrahlungsstärke einer Strahlungsquelle über einen großen Wellenlängenbereich. Die Thermoelemente beziehungsweise der Sensor können mit einer schwarzen Schicht beschichtet sein, die möglichst viel elektromagnetische Strahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. Je nach zu erwartender Strahlungsleistung können geeignete Thermoelemente verwendet werden, bei hohen Temperaturen können beispielsweise Platin-Rhodium/Platin-Thermoelemente (Typ S) verwendet werden, während für Strahlungsquellen mit niedrigerer Bestrahlungsstärke Eisen-Kupfer/Nickel (Typ J) oder für mittlere Bestrahlungsstärken Nickel-Chrom/Nickel (Typ K) ausreichen und verwendet werden können. For the range of visible light deep into the infrared range (IR), for example, thermocouples are suitable, which absorb the radiation as heat, and whose temperature is a direct measure of the recorded radiation power and thus for the irradiance. The electromagnetic radiation is absorbed by the sensor and converted into heat, which is then measured by the thermocouples as a temperature. The thermocouples thus measure the absolute spectrally integrated irradiance of a radiation source over a large wavelength range. The thermocouples or the sensor can be coated with a black layer that absorbs as much electromagnetic radiation and converts it into heat. Depending on the expected radiation power, suitable thermocouples may be used, for example platinum-rhodium / platinum thermocouples (type S) may be used at high temperatures, while iron-copper / nickel (type J) or for medium irradiance nickel may be used for radiation sources with lower irradiance -Chrom / nickel (type K) sufficient and can be used.
Damit sich die Thermoelemente in einem definierten thermischen Zustand befinden und die Messung nicht durch andere Wärmequellen oder Wärmesenken verfälscht wird, ist eine Wasserkühlung vorgesehen, die den Detektor kühlt. Eine starke Kühlleistung der Wasserkühlung ist vorteilhaft, da dann sichergestellt ist, dass die Wärmeflüsse von den Thermoelementen in den Detektor unabhängig von anderen Wärmeflüssen gleich bleibt und somit die einzelnen Messungen gut miteinander vergleichbar sind. So that the thermocouples are in a defined thermal state and the measurement is not falsified by other heat sources or heat sinks, a water cooling is provided, which cools the detector. A strong cooling capacity of the water cooling is advantageous, since it is then ensured that the heat flows from the thermocouples into the detector remain the same regardless of other heat flows and thus the individual measurements are well comparable.
Auf der Vorderseite des Detektors sind Blenden vorgesehen, die den Detektionswinkel der Messapparatur vorgeben. Die Wasserkühlung erstreckt sich auch durch die Blenden und hält so auch deren Temperatur konstant. Dadurch werden die Thermoelemente von störenden Wärmeflüssen aus Richtung der Blenden abgeschirmt. On the front of the detector screens are provided which specify the detection angle of the measuring apparatus. The water cooling also extends through the apertures and thus keeps their temperature constant. As a result, the thermocouples are shielded from disturbing heat flows from the direction of the aperture.
Der Detektor umfasst ferner eine Rechen- und Speichereinheit und eine Anzeige. Die Rechen- und Speichereinheit ist ein elektronischer Rechner mit einem elektronischen Speicher, wie diese als handelsübliche integrierte Schaltungen oder als Rechner erhältlich sind. In der Speichereinheit sind für verschiedene Arten von Strahlungsquellen verschiedene Korrekturfaktoren von 0% bis 100%, beziehungsweise von 0 bis 1 , gespeichert, mit denen die absolute spektral integrierte Strahlstärke, die mit dem Sensor gemessen wird, multipliziert wird, um die spektral gewichtete effektive Strahlstärke, erzeugt von einer Strahlungsquelle und unter einer gewissen Winkelausdehnung auftreffend in einem gewünschten spektralen Bereich zu berechnen. Die Rechnung erfolgt in der Recheneinheit. The detector further comprises a computing and storage unit and a display. The computing and storage unit is an electronic computer with an electronic memory, as these are available as commercially available integrated circuits or as a computer. In the storage unit, different correction factors are available for different types of radiation sources 0% to 100%, or from 0 to 1, respectively, with which the absolute spectrally integrated radiant intensity measured with the sensor is multiplied by the spectrally weighted effective radiant intensity generated by a radiation source and incident at a certain angular extent to calculate a desired spectral range. The calculation takes place in the arithmetic unit.
Die Recheneinheit stellt das Ergebnis auf der Anzeige dar, so dass es von einem Anwender der Vorrichtung abgelesen werden kann. Auf der Anzeige können dazu ein zeitliches Mittel und die aktuellen Werte der gewichteten Strahldichte einer Strahlungsquelle angezeigt werden. Zudem kann auf der Anzeige auch der Wellenlängenbereich angezeigt werden, auf den sich der Wert der Strahldichte einer Strahlungsquelle bezieht. Schließlich kann auch ein Grenzwert angezeigt werden. Es ist vorteilhaft, wenn durch eine farbliche Codierung oder zusätzliche Zeichen auf der Anzeige dargestellt wird, ob der Grenzwert gut eingehalten wurde (Grüne Zahlen), der Mess- wert dicht am Grenzwert liegt (Gelbe Zahlen) oder der Messwert den Grenzwert überschreitet (Rote Zahlen), oder welcher Klasse der Messwert entspricht. Als Anzeige kann ein einfaches LCD-Display verwendet werden, das durch die Recheneinheit gesteuert wird. Die Art der Strahlungsquelle kann über eine Eingabeeinrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise eine Tastatur oder auch über ein Rad zum Scrollen, aus verschiedenen Arten von Strahlungsquellen, die auf der Anzeige dargestellt werden, vor der eigentlichen Messung ausgewählt werden. The arithmetic unit displays the result on the display so that it can be read by a user of the device. On the display, a time average and the current values of the weighted radiance of a radiation source can be displayed. In addition, the display can also display the wavelength range to which the value of the radiance of a radiation source refers. Finally, a limit can be displayed. It is advantageous if a colored coding or additional characters on the display shows whether the limit value has been adhered to well (green numbers), the measured value is close to the limit value (yellow numbers) or the measured value exceeds the limit value (red numbers ), or which class corresponds to the measured value. As a display, a simple LCD display can be used, which is controlled by the arithmetic unit. The type of radiation source can be selected via an input device (not shown), for example a keyboard or also via a wheel for scrolling, from different types of radiation sources, which are displayed on the display, before the actual measurement.
Für die Messung wird die Vorrichtung mit den Blenden zur Strahlbegrenzung in Richtung einer Strahlungsquelle ausgerichtet, so dass ein strahlendes Flächenelement der Strahlungsquelle über der Öffnung des Reflektors liegt. Die von dem Flächenelement ausgehende elektromagnetische Strahlung fällt teilweise durch die Blenden direkt auf die Thermoelemente. For the measurement, the device is aligned with the aperture for beam limitation in the direction of a radiation source, so that a radiating surface element of the radiation source is located above the opening of the reflector. The emanating from the surface element electromagnetic radiation falls partly through the aperture directly on the thermocouples.
Die Thermoelemente absorbieren einen Teil der elektromagnetischen Strahlung und heizen sich dabei auf. Die erzeugte Wärme wird größtenteils über die Wasserkühlung abgeführt. The thermocouples absorb some of the electromagnetic radiation and heat up. The heat generated is largely dissipated via the water cooling.
Dadurch stellt sich sehr schnell ein Gleichgewicht zwischen der durch die elektromagnetische Strahlung zugeführten Wärme und der durch die Wasserkühlung abgeführten Wärme ein. Dieses Gleichgewicht hängt vom Aufbau der Vorrichtung ab, ist aber auch ein Maß für die aufgenommene Strahldichte. Der Einfluss des Aufbaus der Vorrichtung kann über eine Kalibrierung eliminiert werden, die in der Recheneinheit gespeichert wird oder ist. This very quickly establishes a balance between the heat supplied by the electromagnetic radiation and the heat dissipated by the water cooling. This balance depends on the structure of the device, but is also a measure of the recorded radiance. The influence of the structure of the device can be eliminated via a calibration stored in the arithmetic unit.
Verschiedene Strahlungsquellen haben für unterschiedliche Wellenlängenbereiche unterschiedliche Strahlungscharakteristika. Typisch sind beispielsweise graue Strahler, die sich praktisch wie schwarze Strahler gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz verhalten, wobei die Emissi- vität angibt, wie genau der graue Strahler der Strahlungscharakteristik des schwarzen Strahlers entspricht. Da bei grauen Strahlern die verschiedenen Wellenlängen alle gleich stark beeinflusst werden, spielt die Emissivität für die vorliegende Messung der Bestrahlungsstärke einer Strahlungsquelle keine Rolle, so dass für alle grauen Strahler ein insbesondere nur noch temperaturabhängiger Korrekturfaktor verwendet werden kann. Für Strahlungsquellen mit einer anderen Strahlungscharakteristik, wie beispielsweise Bandstrahler müssen andere Korrekturfaktoren im Speicher hinterlegt werden. Different radiation sources have different radiation characteristics for different wavelength ranges. Typical examples are gray emitters, which behave like black emitters in accordance with Planck's law of radiation, whereby the emissivity indicates how exactly the gray emitter of the radiation characteristic of the black emitter equivalent. Since with gray emitters the different wavelengths are all equally influenced, the emissivity for the present measurement of the irradiance of a radiation source is irrelevant, so that for all gray emitters in particular only a temperature-dependent correction factor can be used. For radiation sources with a different radiation characteristic, such as band radiators, other correction factors must be stored in the memory.
Die Korrekturfaktoren können bestimmt werden, indem einmal (bereits beim Hersteller der Vorrichtung oder beim Anwender) durch spektroskopische Verfahren das gesamte Spektrum einer solchen Strahlungsquelle aufgenommen wird. Anschließend wird das Verhältnis der gesamten Bestrahlungsstärke in dem durch die Thermoelemente absorbierten Spektrum zur Bestrahlungsstärke in dem gewünschten Wellenlängenbereich gebildet. Dieser Quotient ist der Korrekturfaktor. The correction factors can be determined by once (already at the manufacturer of the device or at the user) by spectroscopic method, the entire spectrum of such a radiation source is recorded. Subsequently, the ratio of the total irradiance in the spectrum absorbed by the thermocouples to the irradiance in the desired wavelength range is formed. This quotient is the correction factor.
Für Vorrichtungen zur Messung der Strahldichte in den Wellenlängenbereichen VIS + IR-A sowie IR-A wird die gesamte, winkelunabhängige Einstrahlung. Hierzu wird ein geeigneter spektral breitbandig absorbierender Detektor verwendet. For devices for measuring the radiance in the wavelength ranges VIS + IR-A and IR-A, the total, angle-independent irradiation. For this purpose, a suitable spectrally broadband absorbing detector is used.
Hier kann bevorzugt ein spektral flacher Thermopile-Detektor (mit Thermoelementen) eingesetzt werden, der zumindest im Bereich 380 nm bis 10 μιτι spektral flach absorbiert, bevorzugt sind solche Detektoren, die im Bereich von 200 nm bis hin zu 20 pm spektral flach absorbieren. Here, preferably a spectrally flat thermopile detector (with thermocouples) can be used which absorbs at least spectrally flat at least in the range 380 nm to 10 μm, preferred are those detectors which absorb spectrally flat in the range from 200 nm to 20 μm.
Dieser wird um die benötigten Blenden zur Beschränkung der Winkelausdehnung, unter der gemessen wird, modifiziert - Details hierzu in der IEC 62471 : This is modified by the required apertures to limit the angular extent under which measurements are taken - details in IEC 62471:
Diese Vorrichtung kann nun die gesamte Strahldichte This device can now measure the total radiance
20000nm20000nm
=200nm messen, wobei für relevante Strahlenquellen der Messwert nur unwesentlich geringer (1 bis 10 %) ist, als
Figure imgf000017_0001
= 200nm, whereby for relevant radiation sources the measured value is only insignificantly lower (1 to 10%) than
Figure imgf000017_0001
0 Die Wasserkühlung Blenden ist essentiell, damit diese nicht durch eigene thermische Last das Messergebnis des Detektors beeinflussen. Auch der Detektor selbst ist aufgrund der möglichen hohen Strahlungsbelastung mit einer Kühlung versehen. 0 The water cooling diaphragms are essential so that they do not influence the measuring result of the detector due to their own thermal load. The detector itself is also provided with cooling due to the possible high radiation load.
Ein solcher Detektor entspricht zum Beispiel auch den Anforderungen der IEC 62471 , ohne jedoch spektral aufgelöste Messungen erlauben zu können. Such a detector, for example, also complies with the requirements of IEC 62471, but without allowing spectrally resolved measurements.
Figur 1 zeigt in einem Diagramm die bereits mit der spektralen Gewichtung bewertete Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Temperatur eines grauen Strahlers in verschiedenen normierten fixierten Wellenlängenbereichen, FIG. 1 shows in a diagram the irradiance already evaluated with the spectral weighting as a function of the temperature of a gray radiator in different normalized, fixed wavelength ranges,
LR = R(Ä) CIÄ L(Ä) R(Ä) AÄL R = R (Ä) CÄÄ L (Ä) R (Ä) AÄ
Figure imgf000018_0001
die typischerweise bestimmt werden sollen, um bestimmten Normen oder Vorschriften zu genügen.
Figure imgf000018_0001
which are typically to be determined to meet certain standards or regulations.
Besonders relevante Messungen nach 2006/25/EG und IEC 62471 :2008 für Infrarot- Elektrowärmeanlagen betreffen Particularly relevant measurements according to 2006/25 / EC and IEC 62471: 2008 concerning infrared electric heating systems
1. die Ermittlung der Blaulichtgefährdung im Bereich von 380 nm bis 700 nm (VIS). 1. the determination of blue light hazard in the range of 380 nm to 700 nm (VIS).
2. die Ermittlung der Gefährdung der Netzhautverbrennung im Bereich von 380 nm bis 1400 nm (VIS und IR-A). 2. the determination of the risk of retinal combustion in the range of 380 nm to 1400 nm (VIS and IR-A).
3. die Ermittlung der Gefährdung der Netzhautverbrennung im Bereich von 780 nm bis 1400 nm (IR-A) für Quellen mit schwachem visuellem Reiz. 3. the determination of the risk of retinal combustion in the range of 780 nm to 1400 nm (IR-A) for sources with a weak visual stimulus.
4. die Ermittlung der Gefährdung der Hornhautverbrennung im Bereich von 780 nm bis 3000 nm (IR-A und IR-B). 4. the determination of the risk of corneal burning in the range of 780 nm to 3000 nm (IR-A and IR-B).
5. die Ermittlung der Gefährdung der Verbrennung der Haut im Bereich von 380 nm bis 3000 nm (VIS, IR-A und IR-B). 5. the determination of the risk of burning of the skin in the range of 380 nm to 3000 nm (VIS, IR-A and IR-B).
Figur 2 zeigt den Anteil der so bereits spektral gewichteten Strahldichte eines grauen Strahlers, die in den relevanten Wellenlängenbereichen in Abhängigkeit von der Temperatur abgestrahlt wird, relativ zur Bestrahlungsstärke des grauen Strahlers im gesamten Spektrum. Wenn die absorbierte elektromagnetische Strahlung über einen großen Wellenlängenbereich erfasst wird, wie dies bei der Verwendung von Thermoelementen der Fall ist, und die Messung bei Tempera- turen der Strahlung emittierenden Quelle von 100° C bis 3000° C erfolgt, wie das bei industriellen Prozessen meist der Fall ist, ist der Anteil der nicht vom Sensor aufgenommenen Bestrahlungsstärke sehr klein und damit vernachlässigbar. Der Anteil nach Figur 2 kann dann also als Korrekturfaktor verwendet werden. Gegebenenfalls kann aber auch dieser fehlende Anteil beim Korrekturfaktor berücksichtigt werden. FIG. 2 shows the proportion of the already spectrally weighted radiance of a gray radiator, which is radiated in the relevant wavelength ranges as a function of the temperature, relative to the irradiance of the gray radiator in the entire spectrum. If the absorbed electromagnetic radiation is detected over a large wavelength range, as is the case with the use of thermocouples, and the measurement at temperature Turen the radiation-emitting source of 100 ° C to 3000 ° C takes place, as is usually the case in industrial processes, the proportion of not absorbed by the sensor irradiance is very small and thus negligible. The proportion of Figure 2 can then be used as a correction factor. If necessary, this missing part can also be taken into account in the correction factor.
Es folgen allgemeine Beispiele für verschiedene erfindungsgemäße Vorrichtungen / Messgeräte. Messgerät für effektive Strahldichte im VIS + IR-A und im IR-A. Es wird die gesamte winkelabhängige, bzw. über einen definierten Winkelbereich auftretende Einstrahlung benötigt. Hierzu wird ein breitbandig detektierender Detektor zusammen mit einer Vorrichtung eingesetzt, die mittels wassergekühlter Blenden die benötigte Winkelauflösung erzeugt. The following are general examples of various devices / measuring devices according to the invention. Measuring device for effective radiance in VIS + IR-A and IR-A. It is the entire angle-dependent, or over a defined angle range occurring radiation needed. For this purpose, a broadband detecting detector is used together with a device which generates the required angular resolution by means of water-cooled diaphragms.
Durchführung der Messung: Carrying out the measurement:
1. Das Messgerät ist zu kalibrieren, so dass es die Bestrahlungsstärke in W/m2 angibt. Da keine Justage notwendig ist, kann, wenn eine Alterung der Oberflächen verhindert wird, in üblichen Intervallen extern kalibriert werden. 1. Calibrate the meter so that it indicates the irradiance in W / m 2 . Since no adjustment is necessary, if aging of the surfaces is prevented, it can be externally calibrated at usual intervals.
2. Die Blenden werden so angeordnet, dass sie die Winkelausdehnung der betrachteten Quelle erfassen. Hierzu sind sie zwischen den normativ gesetzten Grenzen einzustellen. 2. The apertures are arranged so that they capture the angular extent of the considered source. For this purpose, they must be set between the normatively set limits.
3. Die Messung erfolgt, indem das Messgerät an allen Messstellen, die bewertet werden sollen so ausgerichtet wird, dass es die maximale Intensität misst. Diese Werte werden dokumentiert. 3. Measure by aligning the meter at all points to be rated to measure the maximum intensity. These values are documented.
4. Zusätzlich werden benötigte geometrische Daten gemessen oder bestimmt. Für die 4. In addition, required geometric data are measured or determined. For the
Messaufgabe sind die aus der Messposition sichtbare auf den Detektor wirkende Strahler, bzw. Quellen und ihre Temperatur relevant. Für die normative Aufgabe sind Position, Abstand und Winkelausrichtung der Quellen zu dokumentieren.  Measuring task are the spotlights visible from the measuring position, or sources and their temperature relevant to the detector. For the normative task position, distance and angular orientation of the sources are to be documented.
5. Zusätzlich sind Daten für die spektrale Information aufzunehmen. Dies ist für thermische Strahler für jeden Messfleck die Temperatur der betrachteten Quelle. Bei Bandenstrahlern oder thermischer Strahlung, die einen Filter passiert, müssen geeignete Daten zur Charakterisierung dieser Elemente aufgenommen werden. 5. In addition, data for the spectral information is to be included. This is the temperature of the considered source for thermal emitters for each spot. In the case of band radiators or thermal radiation that passes through a filter, suitable data must be recorded to characterize these elements.
6. Im Anschluss können anhand der Diagramme nach den Figuren 1 bis 5 oder Anhand von Tabellen die Messwerte in die benötigten Strahldichten umgerechnet werden. 6. Mit diesen Werten kann dann die Risikobewertung entsprechend der gültigen Norm oder Richtlinie erfolgen. 6. Subsequently, the measured values can be converted into the required beam densities by means of the diagrams according to FIGS. 1 to 5 or by means of tables. 6. These values can then be used to carry out the risk assessment in accordance with the valid standard or guideline.
Das vorgestellte Verfahren ergibt Messwerte, die eine absolute spektral integrierte Strahldichte darstellen. Aus diesen Messwerten soll nun möglichst einfach die relevante nur über einen speziellen Spektralbereich integrierte Größe bestimmt werden. Dies kann bei Kenntnis des Emissionsspektrums anhand von Tabellen oder Diagrammen erfolgen. Im Folgenden sei dies für Spezialfälle erläutert. The presented method yields measured values that represent an absolute spectrally integrated radiance. From these measured values, the relevant variable integrated over a specific spectral range should be determined as simply as possible. This can be done with knowledge of the emission spectrum using tables or diagrams. In the following, this is explained for special cases.
Zur Nomenklatur der spektralen Emission und zu den hier zitierten Zusammenhängen sei auf die Literatur verwiesen. For the nomenclature of the spectral emission and the relationships cited here reference is made to the literature.
1. Beispiel, grauer thermischer Strahler: 1st example, gray thermal radiator:
Dies ist bei weitem die technisch relevanteste Form der Infrarot-Strahlenquelle. Die klassischen Infrarotstrahler mit einem Heizelement aus Wolfram, Kohlenstoff, Siliziumcarbid, einem hochlegierten Stahl, wie Inconel, Kanthai, Nikrothal, aber auch aus Molybdendisilizid, seien sie elektrisch beheizt, oder als Strahlrohr mit Erdgas beheizt, können in sehr guter Näherung alle als graue Strahler angenommen werden. Die üblichen sekundär strahlenden Materialien, wie zum Beispiel keramische Auskleidungen, Schamotten, Isoliermatten, aber auch temperaturbeständige Stähle können in guter Näherung auch als graue Strahler angesehen werden. This is by far the most technically relevant form of the infrared radiation source. The classic infrared radiators with a heating element made of tungsten, carbon, silicon carbide, a high-alloy steel, such as Inconel, Kanthai, Nikrothal, but also of molybdenum disilicide, be it electrically heated, or heated as a jet pipe with natural gas, can all be used as gray radiators to a very good approximation be accepted. The usual secondary radiant materials, such as ceramic linings, chamottes, insulating mats, but also temperature-resistant steels can be considered in good approximation as gray emitters.
In diesem Fall ist das Emissionsspektrum eines Oberflächenelements nur durch seine Temperatur bestimmt. In this case, the emission spectrum of a surface element is determined only by its temperature.
Die emittierte Strahlungsleistung eines Oberflächenelements kann aus den in Figur 3 gezeigten Diagrammen für die einzelnen spektralen Bereiche jeweils direkt bestimmt werden, in dem der zu der Temperatur gehörige Zahlenwert mit der Emissivität des Flächenelements multipliziert wird. The emitted radiation power of a surface element can in each case be determined directly from the diagrams for the individual spectral ranges shown in FIG. 3, in which the numerical value associated with the temperature is multiplied by the emissivity of the surface element.
Die Strahldichte eines bestimmten spektralen Bands kann bestimmt werden, indem die gemessene Strahldichte mit dem Korrekturfaktor für dieses spektrale Band und für die Temperatur der Emissionsquelle multipliziert wird, wobei der Korrekturfaktor aus Figur 2 abgelesen wird. The radiance of a particular spectral band can be determined by multiplying the measured radiance by the correction factor for that spectral band and for the temperature of the emission source, reading the correction factor from FIG.
Die Tabellen können direkt unter der Annahme grauer Strahler durch (numerische) Integration der aus der Planckschen Formel berechenbaren Wellenlängen- und temperaturabhängigen Emission über die jeweiligen spektralen Bereiche bestimmt werden. 2. Beispiel, Bandenemission: The tables can be determined directly under the assumption of gray radiators by (numerical) integration of the wavelength and temperature-dependent emission calculable from Planck's formula over the respective spectral ranges. 2nd example, band emission:
Das Verfahren ist identisch zu dem aus dem vorigen Beispiel, jedoch müssen neue Tabellen ermittelt werden, bei der in der Auswertung der Planckschen Formel jeweils die wellenlängen- und temperaturabhängige Emissivität der Strahlungsquelle berücksichtigt wird. The method is identical to that of the previous example, however, new tables must be determined, in the evaluation of Planck's formula in each case the wavelength and temperature-dependent emissivity of the radiation source is taken into account.
Für Strahlungsquellen, die ein nicht-graues Verhalten aufweisen, muss die spektrale Verteilung der Emission der Strahlenquelle bei der Erstellung der Tabellen und Diagramme für das hier dargestellte Messverfahren mit berücksichtigt werden. Solche Quellen sind zum einen Entladungslampen, wie sie bei der„Flash-Iamp assisted" RTP eingesetzt werden, es können aber auch keramische Oberflächen sein, die als Emitter der Infrarotstrahlung eingesetzt werden. For radiation sources that exhibit non-gray behavior, the spectral distribution of the emission of the radiation source must be taken into account when preparing the tables and diagrams for the measurement procedure presented here. Such sources are on the one hand discharge lamps, as they are used in the flash-assisted RTP, but they can also be ceramic surfaces that are used as emitters of infrared radiation.
Die Emissionsspektren müssen jedoch jeweils nur einmal bestimmt werden, beziehungsweise, falls die Emission der Oberfläche von der Temperatur abhängt, zudem noch bei unterschiedlichen Temperaturen. Dies kann jedoch unter Laborbedingungen durchgeführt werden. However, the emission spectra must be determined only once, or if the emission of the surface depends on the temperature, also at different temperatures. However, this can be done under laboratory conditions.
Dann werden für Festkörper als Quellen die gemessenen Emissivitäten zum Gewichten der Planckschen Formel eingesetzt und die Korrekturfaktoren zur Gewichtung der Messergebnisse erneut durch numerische Integration gewonnen. Then the measured emissivities for weighing Planck's formula are used as sources for sources and the correction factors for weighting the measurement results are again obtained by numerical integration.
Bei Plasmaquellen können die gemessenen Spektren direkt als Grundlage der numerischen Integration über die benötigten Spektralbereiche verwendet werden. For plasma sources, the measured spectra can be used directly as a basis for numerical integration over the required spectral ranges.
3. Beispiel, Filter: 3rd example, filters:
Im Falle von Filtern, die die Strahlung beeinflussen, kann das erfindungsgemäße Verfahren dann eingesetzt werden, wenn die spektrale Transmission des Filters zuvor bestimmt wurde und der Filter selber nicht zur Emission beiträgt, er also ausreichend kühl ist oder nur im IR-B oder IR-C emittiert. Hierzu kann die spektrale Transmission des Filters einmal zum Beispiel mittels Fourier-Transformations-Spektroskopie bestimmt werden. In the case of filters which influence the radiation, the method according to the invention can be used when the spectral transmission of the filter has been previously determined and the filter itself does not contribute to the emission, ie it is sufficiently cool or only in IR-B or IR. C emitted. For this purpose, the spectral transmission of the filter can be determined once for example by means of Fourier transform spectroscopy.
Zudem muss für dielektrische Filter eine geeignete Wichtungsfunktion bestimmt werden, die die Variation der Absorption mit unterschiedlichem Winkel unter dem Strahlung durch den Filter hindurch auf das Messgerät tritt, bewertet werden. Bei vorwiegend senkrechter Transmission ist diese Funktion nahezu gleich 1. Dann wird die Plancksche Formel ausgewertet und mit der spektralen Absorption des Filters gewichtet, bevor die numerische Integration für die spektralen Bereiche erfolgt. In addition, for dielectric filters, a suitable weighting function must be determined, which evaluates the variation in absorbance at different angles under the radiation passing through the filter onto the meter. With predominantly perpendicular transmission, this function is almost equal to 1. Then the Planck formula is evaluated and weighted with the spectral absorption of the filter before the numerical integration for the spectral regions takes place.
In Figur 3 sind die relative spektrale Empfindlichkeit des Auges für Tagsehen nach CIE und die Transmission eines Filters dargestellt. Als Filter für sogenannte blendfreie Infrarotstrahler werden häufig Lüsterlacke auf Goldbasis eingesetzt, diese weisen ihre wesentliche Absorption im VIS auf und haben im Infraroten im IR-A und IR-B eine nur geringe Absorption. Die Absorption im IR-C ist auf das Quarzglas als Trägermaterial zurückzuführen. FIG. 3 shows the relative spectral sensitivity of the eye for daytime vision according to CIE and the transmission of a filter. As a filter for so-called anti-glare infrared radiators are often used gold-based chandelier coatings, these have their significant absorption in the VIS and have in the infrared in IR-A and IR-B only a small absorption. The absorption in the IR-C is due to the quartz glass as a carrier material.
Die mit der Filterfunktion gewichteten und mit der spektralen Gewichtungsfunktion gewichteten Emissionsstärken der einzelnen spektralen Bereiche sind in Figur 4 dargestellt. Figur 5 zeigt die benötigten Korrekturfaktoren zur Ermittlung der der Strahldichte für die angegebenen spektralen Bereiche aus der gesamten gemessenen spektral integrierten Strahldichte. The emission strengths of the individual spectral ranges, weighted with the filter function and weighted with the spectral weighting function, are shown in FIG. FIG. 5 shows the correction factors required for determining the radiance for the specified spectral ranges from the total measured spectrally integrated radiance.
Alle diese erfindungsgemäßen Verfahren, die nahezu jede technisch relevante Form abdecken ist zu Eigen, dass der benötigte zusätzliche Aufwand für die Generierung der Tabellen oder Diagramme nur genau einmal durchgeführt werden muss. All of these methods according to the invention, which cover virtually every technically relevant form, are inherent in that the additional expenditure required for the generation of the tables or diagrams has to be performed only once.
Die daraus ermittelten Korrekturfaktoren für die einzelnen spektralen Bänder können zur weiteren Automatisierung der Messung auch direkt in der Auswerteeinheit hinterlegt werden, so dass direkt der benötigte Wert angezeigt wird. Da jedoch für einen Messwert mehrere Werte benötigt werden, ist es vorteilhafter, dies im Anschluss durchzuführen. The correction factors determined therefrom for the individual spectral bands can also be stored directly in the evaluation unit for further automation of the measurement, so that the required value is displayed directly. However, since several values are required for one measured value, it is more advantageous to carry this out subsequently.
Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.  The features of the invention disclosed in the foregoing description, as well as the claims, figures and embodiments may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung der Strahldichte einer Strahlungsquelle in zumindest einem ersten Wellenlängenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass 1. A method for determining the radiance of a radiation source in at least a first wavelength range, characterized in that
die absolute spektral integrierte Strahldichte in einem zweiten Wellenlängenbereich gemessen wird und  the absolute spectrally integrated radiance is measured in a second wavelength range and
der Art der Strahlungsquelle zumindest ein Korrekturfaktor zugeordnet wird, mit dem die absolute spektral integrierte Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich korrigiert wird, so dass der korrigierte Wert der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich der zumindest einen Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich entspricht.  the type of radiation source is assigned at least one correction factor, with which the absolute spectrally integrated radiance is corrected in the second wavelength range, so that the corrected value of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range of the at least one radiance corresponds to the first wavelength range.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass 2. The method according to claim 1, characterized in that
der zweite Wellenlängenbereich den zumindest einen ersten Wellenlängenbereich um- fasst.  the second wavelength range encompasses the at least one first wavelength range.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that
die Art der Strahlungsquelle das Emissionsspektrum definiert.  the type of radiation source defines the emission spectrum.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der ersten Wellenlängenbereiche im infraroten Wellenlängenbereich liegt, vorzugsweise der erste und der zweite Wellenlängenbereich im Infraroten Wellenlängenbereich liegen. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the first wavelength ranges in the infrared wavelength range, preferably the first and the second wavelength range in the infrared wavelength range.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte Wert der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich der Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich mit einer Genauigkeit von 50%, bevorzugt mit einer Genauigkeit von 25%, besonders bevorzugt mit einer Genauigkeit von 10% entspricht. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the corrected value of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range of the radiance in the first wavelength range with an accuracy of 50%, preferably with an accuracy of 25%, particularly preferably with an accuracy of 10% corresponds.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute spektral integrierte Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich mit zumindest einem Korrekturfaktor multipliziert wird, so dass der korrigierte Wert der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich zumindest einer Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich entspricht. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is multiplied by at least one correction factor, so that the corrected value of the absolute spectrally integrated beam density in the second wavelength range corresponds to at least one beam density in the first wavelength range.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte Wert oder die korrigierten Werte der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich als Strahldichte oder Strahldichten im ersten Wellenlängenbereich ausgegeben wird oder werden, vorzugweise auf einer Anzeigeeinrichtung, einem Ausdruck und/oder über eine elektronische Datenausgabe. 7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the corrected value or the corrected values of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range are output as radiance or radiances in the first wavelength range, preferably on a display device, an expression and / or via an electronic data output.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Strahlungsquelle anhand von voreingestellten Gruppen bestimmt wird, wobei insbesondere graue Strahler eine Gruppe bilden oder als Teil einer gemeinsamen Gruppe definiert werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the type of radiation source is determined by means of preset groups, in particular gray emitters form a group or be defined as part of a common group.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene erste Wellenlängenbereiche verschiedene Korrekturfaktoren zugeordnet werden, insbesondere für das sichtbare Spektrum von 380 nm bis 700 nm (VIS) zur Ermittlung der Blaulichtgefährdung, für das Spektrum von 380 nm bis 1400 nm (VIS und IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 1400 nm (IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 3000 nm (IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hornhautverbrennungen und/oder für das Spektrum von 380 nm bis 3000 nm (VIS, IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hautverbrennungen. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for different first wavelength ranges different correction factors are assigned, in particular for the visible spectrum from 380 nm to 700 nm (VIS) to determine the blue light hazard, for the spectrum from 380 nm to 1400 nm (VIS and IR-A) for determining the risk of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 1400 nm (IR-A) to determine the risk of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 3000 nm (IR-A and IR -B) for determining the risk of corneal burns and / or for the spectrum of 380 nm to 3000 nm (VIS, IR-A and IR-B) to determine the risk of skin burns.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute, spektral integrierte Strahldichte in einem zweiten Wellenlängenbereich mit einem Detektor gemessen wird, der vorzugsweise mit Wasser gekühlt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the absolute spectrally integrated radiance is measured in a second wavelength range with a detector, which is preferably cooled with water.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass 1 1. A method according to claim 10, characterized in that
der Detektor spektral flach absorbiert, vorzugsweise im Bereich zwischen 200 nm und 20 μητι, besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 10 μητ  the detector absorbs spectrally flat, preferably in the range between 200 nm and 20 μητι, more preferably between 300 nm and 10 μητ
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wellenlängenbereich, in dem die absolute spektral integrierte Strahldichte gemessen wird, zwischen 200 nm und 20 pm liegt, vorzugsweise zwischen 300 nm und 10 pm. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the second wavelength range in which the absolute spectrally integrated radiance is measured is between 200 nm and 20 pm, preferably between 300 nm and 10 pm.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldichte der Strahlungsquelle in zumindest einem ersten infraroten Wellenlängenbereich bestimmt wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the radiance of the radiation source is determined in at least a first infrared wavelength range.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Strahlungsquelle bestimmt wird und/oder eingegeben wird oder der Korrekturfaktor eingegeben wird. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the type of radiation source is determined and / or input or the correction factor is entered.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Korrekturfaktor, der gemessenen absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich und dem zumindest einen ersten Wellenlängenbereich ein Signal erzeugt wird, das anzeigt, ob ein Grenzwert bezogen auf den zumindest einen ersten Wellenlängenbereich überschritten wird. 15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that depending on the correction factor, the measured absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range and the at least one first wavelength range, a signal is generated which indicates whether a limit based on the at least one first wavelength range is exceeded.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung, die zum Messen der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich verwendet wird, vor der Messung kalibriert wird. 16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a measuring device which is used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is calibrated prior to the measurement.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung, die zum Messen der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich verwendet wird, zur Messung bezogen auf die Strahlungsquelle ausgerichtet wird. 17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a measuring device, which is used for measuring the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range, is aligned for the measurement with respect to the radiation source.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass 18. The method according to claim 17, characterized in that
bei der Messung der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich die Messeinrichtung, die zum Messen der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich verwendet wird, unterschiedlich zur Strahlungsquelle ausgerichtet wird, wobei vorzugsweise der maximale gemessene Wert zur Berechnung der Strahldichte im ersten Wellenlängenbereich verwendet wird. when measuring the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range, the measuring device used to measure the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range is aligned differently from the radiant source, preferably using the maximum measured value to calculate the radiance in the first wavelength range.
19. Vorrichtung zum Bestimmen der Strahldichte einer Strahlungsquelle in zumindest einem ersten Wellenlängenbereich mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 19. An apparatus for determining the radiance of a radiation source in at least a first wavelength range with a method according to one of the preceding claims, characterized in that
die Vorrichtung einen Detektor umfasst, der die absolute spektral integrierte Strahldichte in einem zweiten Wellenlängenbereich misst, eine Speichereinheit umfasst, in dem zumindest ein Korrekturfaktor gespeichert ist, eine Recheneinheit umfasst, mit der aus der absoluten spektral integrierten Strahldichte im zweiten Wellenlängenbereich die Strahldichte der Strahlungsquelle in dem zumindest einen ersten Wellenlängenbereich mit dem Korrekturfaktor berechenbar ist, und eine Ausgabeeinrichtung umfasst, über die das Ergebnis der Berechnung ausgebbar und/oder anzeigbar ist.  the apparatus comprises a detector which measures the absolute spectrally integrated radiance in a second wavelength range, comprises a memory unit in which at least one correction factor is stored, a computation unit with which the radiance of the radiation source of the absolute spectrally integrated radiance in the second wavelength range the at least one first wavelength range can be calculated with the correction factor, and an output device via which the result of the calculation can be output and / or displayed.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass 20. The apparatus according to claim 19, characterized in that
der Detektor ein Thermoelement oder mehrere Thermoelemente umfasst, die während der Messung die Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich absorbieren.  the detector comprises a thermocouple or a plurality of thermocouples that absorb the radiation in the second wavelength range during the measurement.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass 21. Device according to one of claims 19 to 21, characterized in that
der Detektor an eine Kühlvorrichtung angeschlossen ist oder sind, insbesondere an eine Wasserkühlung.  the detector is or are connected to a cooling device, in particular to a water cooling.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass 22. Device according to one of claims 19 to 22, characterized in that
die Vorrichtung eine Eingabeeinrichtung umfasst, mit der die Art der Strahlungsquelle eingebbar ist und dass jeder Art der Strahlungsquelle ein Korrekturfaktor zugeordnet ist.  the device comprises an input device with which the type of radiation source can be input and that a correction factor is assigned to each type of radiation source.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass 23. Device according to one of claims 19 to 23, characterized in that
für verschiedene erste Wellenlängenbereiche verschiedene Korrekturfaktoren im Speicher hinterlegt sind, insbesondere für das sichtbare Spektrum von 380 nm bis 700 nm (VIS) zur Ermittlung der Blaulichtgefährdung, für das Spektrum von 380 nm bis 1400 nm (VIS und IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 1400 nm (IR-A) zur Ermittlung der Gefährdung von Netzhautverbrennungen, für das Spektrum von 780 nm bis 3000 nm (IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hornhautverbrennungen und/oder für das Spektrum von 380 nm bis 3000 nm (VIS, IR-A und IR-B) zur Ermittlung der Gefährdung von Hautverbrennungen.  for different first wavelength ranges different correction factors are stored in the memory, in particular for the visible spectrum from 380 nm to 700 nm (VIS) to determine the blue light hazard, for the spectrum from 380 nm to 1400 nm (VIS and IR-A) to determine the hazard of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 1400 nm (IR-A) for the determination of the risk of retinal burns, for the spectrum from 780 nm to 3000 nm (IR-A and IR-B) for the determination of the risk of corneal burns and / or for the spectrum from 380 nm to 3000 nm (VIS, IR-A and IR-B) to determine the risk of skin burns.
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