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Pyrometer mit mindestens einem strahlungsempfindlichen Element
Die Erfindung bezieht sich auf ein Pyrometer mit mindestens einem strahlungsempfindlichen Element, das durch eine auftreffende Strahlung seinen Widerstandswert ändert, welche Änderung als Mass für die Intensität der Strahlung bzw. alsMass für die Temperatur des die Strahlung aussendenden Körpers dient, wobei das strahlungsempfindliche Element in einem Brückenzweig einer Wheat'stone-Brücke angeordnet ist.
Die Messung einer Strahlungsintensität durch Messen der Widerstandsänderung eines strahlungsempfindlichen Elementes ist bekannt und in vielen Ausführungsformen praktisch angewendet.
Zur Messung der Widerstandsänderung gibt es zwei verschiedene praktische Methoden. Bei der ersteren wird die Brückenschaltung nach der Widerstandsanderung des strahlungsempfindlichen Elementes, nachdem sie bereits vorher auf Null abgeglichen war, mit Hilfe eines in einem Brückenzweig angeordneten Regelwiderstandes erneut auf Null abgeglichen, wobei die vorzunehmende Änderung des Regelwiderstandes als Mass rr die Widerstandsänderung des strahlungsempfindlichen Elementes dient. Bei der zweiten Methode wird die durch die Widerstandsänderung des strahlungsempfindlichen Elementes verursachte Verstimmung der Brücke z. B. mittels eines Voltmeters gemessen. Die Anzeige des Voltmeters kann hiebei als Mass für die Widerstandsänderung des strahlungsempfindlichen Elementes dienen.
Die zweite Methode weist gegenüber der ersten den Vorteil auf, dass hiebei die Widerstandsänderung direkt auf einer Skala abgelesen werden kann, während bei der ersten Methode ein Regelwiderstand entweder von Hand aus oder automatisch so lange nachgeregelt werden muss, bis die Brückenschaltung wieder abgestimmt ist.
Das erfindungsgemässe Pyrometer i. t dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element in einem Brückenzweig einer Wheat'stone-Brücke angeordnet ist, welche Brückenschaltung mit Gleichspannung und überlagerter Wechselspannung gespeist wird und bei der der Nullzweig aus der Serienschaltung eines Kondensators und eines auf die Frequenz der Speisewechselspannung abgestimmten Parallelresonanzkreises besteht. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, die Brückenschaltung mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung zu betreiben. Der Betrieb mit Gleichspannung setzt einen an den Nullzweig anschliessbaren Gleichspannungsverstärker voraus, der das Anzeigeinstrument speist. Diese Mög- lichkeit scheidet wegen der bekannten Schwierigkeiten, die Gleichspannungsverstärker mit sich bringen, aus.
Bei Verwendung von Wechselspannung zur Anspeisung der Brücke kann an den Nullzweig ein Transformator angeschlossen werden, mit dessen Sekundärwicklung ein hochohmiges Anzeigeinstrument, gegebenenfalls über einen Verstärker, verbunden ist. Um aus der Brücke eine möglichst hohe Spannung abnehmen zu können, soll der Nullzweig möglichst wenig belastet werden. Der im Hinblick auf Hochohmig- keit'günstig dimensionierte Resonanztransformator ist für den Anschluss an den Nullzweig um ein Vielfaches zu niederohmig ; dies äussert sich in einer geringen an den Sekundärklemmen abnehmbaren Ausgangspannung.
Die Hochohmigkeit der Brücke wird in erster Linie von den Fotodioden bestimmt ; eine Verkleinerung der Brückenwiderstände (Arbeitswiderstände) bringt wohl eineverringerung desinnenwidei- standes der Brücke mit sich, aber auch eine starke Verminderung der im Nullzweig verfügbaren Ausgangspannung. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten wird erfindungsgemäss die Speisung der Brückenschaltung mit Gleichspannung und mit überlagerter Wechselspannung vorgeschlagen, weil durch das Verhältnis von Gleichspannungs- zur Wechselspannungsamplitude der Innenwiderstand der verwendeten Fotodioden bestimmt wird.
Durch die getrennte Einstellmöglichkeit beider Spannungen kann die Brückenschaltung an den im Nullzweig liegenden Resonanztransformator so angepasst werden, dass eine möglichst grosse Ausgangspannung an dessen Sekundärwicklung zur Verfügung steht.
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Die Anordnung eines Parallelresonanzkreises wird erfindungsgemäss vorgesehen, weil die üblichen strahlungsempfindlichen Elemente, z. B. Fotodioden, hochohmige Elemente mit einem Innenwiderstand in der Grössenordnung von 100 Kiloohm sind, wobei der Widerstand der Brückenwiderstände in derselben Grössenordnung liegt. Von dem Nullzweig aus gesehen, stellt demnach die gesamte Anordnung eine Stromquelle mit hohem Innenwiderstand und relativ kleiner Spannung dar, welche, um diese Spannung in ihrer vollen Grösse abnehmen zu können, durch den Nullzweig nicht belastet werden darf. Dies wird durch die Resonanzabstimmung des Parallelresonanzkreises erzielt.
Vorteilhafterweise ist die Induktivität des Parallelresonanzkreises im Nullzweig der Brückenschaltung als Wicklung eines Resonanztransformators ausgebildet, mit dessen Sekundärwicklung ein insbesonders hochohmiges Anzeigegerät gegebenenfalls über einen Verstärker verbunden ist.
Die Verwendung eines Transformators ist deshalb vorteilhaft, weil die Spannung an den Anschlusspunkten des Nullzweiges symmetrisch zum Erdpotential liegt, was die Verwendung eines Anzeigeinstru- mentes mit symmetrischem Eingang bedingen wurde. Mit Hilfe des Transformators wird die symmetrische BrUckenausgangsspannung galvanisch von der eigentlichen Brückenschaltung getrennt ; somit kann ein Anschluss der bekundärwicklung des Transformators mitErdpotential verbunden werden und ein einfaches unsymmetrisches Anzeigeinstrument verwendet werden. Es gibt auch noch andere Methoden um eine symmetrische Spannung unsymmetrisch zu machen, die aber alle in diesem speziellen Falle ungünstig sind.
Der im Nullzweig der Brücke in Serie mit der Primärwicklung des Resonanztransformators liegende Kondensator hat die Aufgabe, das Fliessen eines Gleichstromes über den Nullzweig zu verhindern. Wird die Fotodiode belichtet, so ändert sich sowohl ihr Gleichstromwiderstand als auch ihr Wechselstromwiderstand ; die Änderung ihres Gleichstromwiderstandes bedingt eine Änderung der Gleichspannung, welche an dem mit ihr in Reihe zwischen die Speiseklemmen geschalteten Brackenwiderstand liegt ; als Folge davon ändert sich die Gleichspannung im Nullzweig, was über die gleichstrommässig niederohmige Wicklung des
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diode verschieben würde. Dieser unerwünschte Effekt würde eine starke Verminderung der im Nullzweig verfügbaren Nutzwechselspannung verursachen.
Durch den im Nullzweig erfindungsgemäss vorgesehenen Serienkondensator wird dieserEffekt verhindert und eine etwa 5fach grössere Nutzwechselspannung am Re- sonanztransformator erzielt, als ohne diesen Kondensator. Dieser Kondensator muss eine solche Kapazität besitzen, dass sein Wechselstromwiderstand nur einen Bruchteil des Resonanzwiderstandes des Parallelreso- nanzkreises beträgt.
Als Anzeigeinstrument ist ein solches mit einem möglichst hochohmigen Eingangswiderstand zu verwenden, so dass der Parallelresonanzkreis bzw. der Resonanztransformator möglichst wenig belastet wird.
Hiezu kann auch ein Röhrenvoltmeter Verwendung finden bzw. ein gewöhnliches Anzeigeinstrument unter Zwischenschaltung eines Verstärkers od. dgl.
Bei einer vorteilhaftenAusführungsform desPyrometers nach der Erfindung sind zum Nullabgleich der Brücke, wenn das strahlungsempfindliche Element unbestrahlt ist, ein'oder mehrere Brückenwiderstände regelbar ausgebildet. Es ergibt sich hiebei der Vorteil, dass auf dem z. B. verwendeten Spannungsanzeigegerät die Widerstandsänderung des strahlungsempfindlichenElementes direkt und nicht alsDifferenz zweier Werte abgelesen werden kann.
Hiebei ist zum Abgleich der Brückenschaltung im unbestrahlten Zustand des strahlungsempfindlichen Elementes ein Speisepunkt als Potentiometerabgriff ausgebildet und mindestens ein Brückenwiderstand durch einen einstellbaren Kondensator überbrückt. Die Speisung der Brückenschaltung mit Gleichspannung und Wechselspannung kann vorteilhafterweise liber zwei in Serie geschaltete Potentiometer erfolgen, von denen das eine mit Gleichstrom und das andere mit Wechselstrom gespeist wird.
Die getrennte Einstellmöglichkeit dergleich-und Wechselspannung ist deshalb vorteilhaft, weil durch das Verhältnis von Gleichspannungs-zur Wechselspannungsamplitude der Innenwiderstand der beispielsweise verwendeten Fotodiode bestimmt wird. Da der Temperaturkoettizient der Fotodiode bei Gleichspannungen, die grösser als 3 V sind, einen gleichmässigen Verlaut hat, soll man die Fotodiode möglichst mit die- ser Mindestspannung beaufschlagen. Mit den beiden Potentiometern kann ausserdem der günstigste Arbeitspunkt der gesamten Anordnung eingestellt werden.
Da der Dunkelwiderstand des strahlungsemptindlichen Elementes meistens temperaturabhängig ist, wird zweckmässigerweise in mindestens einem Brückenzweig ein temperaturabhängiger Widerstand angeordnet, welcher die Temperaturabhängigkeit dieses Dunkelwiderstandes ausgleicht.
Eine vorteilhaite Ausführungsform des errindungsgemässen Pyrometers ergibt sich, wenn in dem Brükkenzweig, welcher mit dem das strahlungsemptindliche Element enthaltenden Brückenzweig einen gemeinsamen Speisepunkt besitzt, ein zweites gleichartiges strahlungsempfindliches Element angeordnet
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wird, welches dauernd unbelichtet bleibt und zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit des Dunkelwiderstandes des ersten strahlungsempiindlichen Elementes dient.
Falls der Widerstands-Temperaturverlauf der beiden strahlungsempfindlichen Elemente nicht übereinstimmt, wird zweckmässig noch ein tempera- turabhängiger Widerstand in einem der Brückenzweig angeordnet ; hiebei werden die beiden strahlungsempfindlichen Elemente vorteilhaft räumlich nahe nebeneinander angeordnet, damit sie dieselbe Umgebungstemperatur und damit auch denselben Dunkelwiderstand annehmen. Vorteilhafterweise wird dies bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, dass die beiden strahlungsemptindllchen Elemente in einen Metallklotz eingebettet werden, welcher gegebenenfalls mit dem Kuhlgefäss des Messkopfes in gut wärmeleitender Verbindung steht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausfühnmgsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In der Zeichnung wird eine Ausführungsform dargestellt, bei der zwei Fotodioden 1 und 2 verwendet werden, wobei die Diode 1 als Kompensationsdiode und die Diode 2 als Messdiode dient.
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Serie zur Messdiode 2, wobei diese beiden Widerstände 3, 4 mit einem Potentiometer 5 verbunden sind, dessen Abgriff der Speisepunkt D ist, während der andere Speisepunkt C der Verbindungspunkt der beiden Dioden 1 und 2 ist. Der in der Messdiagonale A-B liegende Nullzweig besteht aus einem Trennkondensator 6, der in Serie zu einem aus einem Kondensator 7 und der Primärwicklung 8 des Resonanztransfbrma- tors 9 bestehenden Parallelresonanzkrelses liegt. Der Parallelresonanzkreis 7,8 ist auf die Frequenz der Speisewechselspannung abgestimmt, also auf die Frequenz des Oszillators 15.
Durch diese Resonanzabstimmung des Transformators 9 wird eine geringere Belastung der Brückenschaltung durch den Nullzweig A-B erreicht. Wenn z. B. die Primärwicklung 8 des Transformators 9 eine Induktivität von zirka 2 Henry bei 500 Hz Betriebsfrequenz besitzt, so beträgt die Impedanz Z= 2. 3, 14. f. L = 6. 3 Kiloohm.
Bringt man die Primärwicklung 8 mit dem Kondensator 7 in Resonanz, so erhöht sich die Impedanz um den Faktor. Dieser Gütefaktor Q ist bei diesem Ausführungsbeispiel gleich 15, Z ist demnach 6, 3. 15 = 95Kiloohm. Durch diese 15mal höhere Impedanz wird die an der Sekundärseite verfügbare Aus- gangsspannung ebenfalls vervielfacht. An die Sekundärwicklung 10 des Resonanztransformators 9 ist ein Spannungsanzeigegerät 11 angeschlossen. Dieses Spannungsanzeigegerät 11 kann so eingestellt und geeicht sein, dass es direkt die Widerstandsänderung der Messdiode 2 anzeigt.
Gegebenenfalls kann es eine Skala aufweisen, welche direkt die Strahlungsintensität der auf die Messdiode 2 auftreffenden Strahlung bzw. die Temperatur des die Strahlung aussendende Körpers abzulesen gestattet. Die Speisung der Brückenschaltung erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei Potentiometer 12 und 13, wobei das Potentiometer 12 von einer Gleichspannungsquelle 14 gespeist wird, während das Potentiometer 13 von einer Wechselspannungsquelle 15. z. B. einem Oszillator, über einen Transformator 16 gespeist wird. Der mit der Minusklemme der Gleichspannungsquelle verbundene Speisepunkt D ist hiebei auf Erde gelegt, Mittels der Potentiometer 12 und 13 kann der günstigste Arbeitspunkt der Fotodioden eingestellt werden.
Zur Abstimmung der Brückenschaltung im unbestrahlten Zustand der Messdiode 2 dient einerseits das Potentiometer 5, mit dem ein Amplitudenabgleich durchgeführt werden kann, während anderseits zum Phasenabgleich ein einstellbarer Kondensator 17 dient, welcher parallel zur Kompensationsdiode 1 geschaltet ist.
Die Kompensationsdiode 1 kann gegebenenfalls auch durch einen Festwiderstand ersetzt werden, welcher derart gewählt wird, dass die Brücke bei unbestrahlter Messdiode 2 abgeglichen ist, also z. B. bei gleichen Brückenwiderständen 3 und 4 gleich dem Dunkelwiderstand der Messdiode 2. Da jedoch dieser Dunkelwiderstand der Messdiode 2 temperaturabhängig ist. u. zw. bei einer Fotodiode im allgemeinen mit negativem Temperaturkoeffizient, wird in dem Brückenzweig A-D ein NTC-Widerstand angeordnet, welcher die Temperaturabhängigkeit des Dunkelwiderstandes der Messdiode 2 kompensiert.
Dieselbe Kompensationswirkung kann auch wie dargestellt durch die Anordnung der Kompensationsdiode 1 in dem Brückenzweig C-B erzielt werden, wobei jedoch, falls der Widerstandstemperaturverlauf dieser beiden Fotodioden 1 und 2 nicht genau gleich ist, eventuell auch ein NTC-Widerstand 18 in einem Brückenzweig angeordnet werden muss, wobei der Brückenzweig, in welchem der NTC-Widerstand 18 angeordnet werden muss, vondenTemperaturwiderstandskennlinien der beiden Fotodioden 1 und 2 abhängig ist.
Um dieKompensationswirkung der Diode 1 möglichst gut zur Wirkung zu bringen, ist es zweckmässig, die beiden Dioden 1 und 2 nahe nebeneinander und gegebenenfalls, wie bereits ausgeführt, in einem Metallklotz anzuordnen, damit sie möglichst immer die gleiche Temperatur annehmen. Gegebenenfalls kann, um grössere Temperaturschwankungen des ganzen Metallblockes zu vermeiden, dieser mit der eventuell vorhandenen Kühlung des Pyrometer-Messkopfes wärmeleitend verbunden sein. In diesem Falle ist es
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zweckmässig, die beiden Dioden getrennt von der Brückenschaltung im Messkopf des Pyrometers anzuordnen und diese über Leitungen mit der Brückenschaltung zu verbinden, wobei z. B. drei Leitungen notwendig sind, welche mit den Punkten A, B und C verbunden werden müssen.
Es ist ersichtlich, dass die Erfindung keineswegs auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, da Abänderungen der dargestellten Schaltung ohne weiteres möglich sind, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Pyrometer mit mindestens einem strahlungsempfindlichen Element, das durch eine auftreffende Strahlung seinen Widerstandswert ändert, welche Änderung als Mass für die Intensität der Strahlung bzw. als Mass für die Temperatur des die Strahlung aussendenden Körpers dient, wobei das strahlungsempfindlicheElement in einemBrückenzweig einer Wheat'stone-Brücke angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung mit Gleichspannung und überlagerter Wechselspannung gespeist wird und dass der Null-Zweig aus der Serienschaltung eines Kondensators und eines auf die Frequenz der Speisewechselspannung abgestimmten Parallelresonanzkreises besteht.