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Strahlungspyrometer für Farbtemperaturmessungen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Strahlungspyrometer. Das ist ein Gerät, das die Temperatur eines Meßobjektes,
z. B. einer Schmelze, aus der von die sem ausgesandten Strahlung ermittelt. Intensität
und spektrale Verteilung der Strahlung hängen von der Temperatur ab. Die Strahlung
wird um so stärker und um so kurzwelliger, je höher die Temperatur ist.
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Für einen beheizten »schwarzen Körper«, d. h. einen Körper, der alle
auftreffende Strahlung absorbiert, ergibt sich die spektrale Verteilung der ausgesandten
Strahlung nach der Planckschen Strahlungsformel
Ein Körper mit einem vergleichsweise zum schwarzen Körper geringeren Absorptionsvermögen,
wie es in der Praxis naturgemäß stets gegeben ist, strahlt mit einer Spektralverteilung
S'(v,T) A S(v, T) .
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Dabei ist A, das Absorptionsvermögen, <1. In der Regel hängt A
auch noch von der Frequenz (Wellenlänge) der Strahlung ab, so daß die Spektralverteilungskurven
der Temperaturstrahlungen von der Planckschen Strahlungsformel auch in der Form
etwas abweichen.
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Aus den geschilderten Gründen ist die wahre Temperatur Tw eines Strahlers
durch pyrometrische Messungen nur angenähert zu bestimmen. Als »schwarze Temperatur«
Ts eines Strahlers bezeichnet man die Temperatur eines »schwarzen Körpers«, welcher
mit gleicher Strahlungsdichte strahlt wie das Meßobjekt. Als Vergleichswert können
dabei die Gesamtstrahlungsdichten, also das Integral über die Spektralverteilungskurven
S, S' dienen oder aber die Strahlungsdichten in einem bestimmten Frequenz-bzw. Wellenlängenbereich.
Als Farbtemperatur des Meßobjektes bezeichnet man die Temperatur eines schwarzen
Körpers, dessen Temperaturstrahlung ungefähr die gleiche spektrale Verteilung hat
wie die des Meßobjektes.
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Es sind Farbpyrometer bekannt, also Pyrometer zur Messung der Farbtemperatur
eines Meßobjektes, bei welchen als Maß für die Farbtemperatur der Quotient der Strahlungsintensitäten
bei zwei verschiedenen Wellenlängen gemessen wird.
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Bei bekannten Farbpyrometern dieser Art werden die Spannungen zweier
hinter Filtern angeordneter Photozellen direkt einem Kreuzspulinstrument zugeführt.
Das hat den Nachteil, daß nicht nur die Empfindlichkeit, sondern auch noch die spektrale
Emp-
findlichkeitsverteilung der Photozellen in die Messung eingeht. Die Eichung
des Gerätes wird dabei gewissermaßen in den Photozellen »gespeichert«. Nun kann
sich bekanntlich die Empfindlichkeit bzw. die Empfindlichkeitsverteilung der Photozellen
mit der Zeit durch Alterungserscheinungen etwas ändern. Es kann auch notwendig werden,
einmal eine defekte Photozelle gegen eine neue auszutauschen. In diesen Fällen wird
die Anzeige falsch, und es muß eine Nacheichung vorgenommen werden.
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Es sind ferner Farbpyrometer bekannt, bei denen durch rotierende
Filter abwechselnd Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen auf ein und dieselbe
Photozelle geleitet werden. Vom Ausgangssignal der Photozelle wird eine Blende oder
ein Graukeil verstellt, welcher die Intensität der Strahlung einer Wellenlänge so
lange verändert, bis die beiden Intensitäten an der Photozelle gleich sind. Die
Stellung der Blende bzw. des Graukeils ist dann ein Maß für die Farbtemperatur.
Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet eine weitere Art von bekannten Farbpyrometern.
Bei diesen wird die Strahlung durch einen Schwingspiegel abwechselnd durch das eine
oder das andere Filter auf eine Photozelle geleitet. Der Ausgangsmeßwert der Photozelle
wird über einen Verstärker der Treibspule des Schwingspiegels zugeführt.
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Vor dem einen Filter ist ein Graukeil vorgesehen, der bewirkt, daß
das durch dieses Filter tretende Strahlenbündel um so weniger zur Geltung kommt,
je größer die Amplitude des Schwingspiegels ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers
ist dann ein Maß für das Verhältnis der Intensitäten der Strahlung bei den beiden
durch die Filter bestimmten Wellenlängen und damit für die Farbtemperatur.
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Bei solchen Pyrometern findet zwar ein Abgleich mittels eines Graukeils
oder einer Blende statt. Es handelt sich aber dabei, wie sich leicht zeigen läßt,
nicht um eine echte Kompensationsmessung, welche unabhängig von den Eigenschaften
der Photozelle machen würde. Der Meßwert wird vielmehr von der spektralen Empfindlichkeitsverteilung
der Photozelle beeinflußt. Bei dem Abgleich der Blende bzw. des Graukeils handelt
es sich vielmehr um eine Art optische Quotientenbildung.
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Es ist ferner ein Farbpyrometer bekannt, bei welchem eine Vergleichslichtquelle
in das Bild des Meßobjektes eingespiegelt wird und ein visueller Abgleich erfolgt,
indem bei einer Wellenlänge (rot) die Helligkeit der vom Objekt kommenden Strahlung
derjenigen der Vergleichslichtquelle angeglichen wird und bei einer anderen Wellenlänge
(grün), die von der Vergleichslichtquelle auf das Auge fallende Strahlung abgeglichen
wird. Es müssen hier zwei Abgleichvorgänge nacheinander erfolgen. Es handelt sich
um eine visuelle Einstellung und nicht um eine automatische Messung mit Photozellen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Farbpyrometer,
das zwar in an sich bekannter Weise mit zwei Photozellen arbeitet und eine Anzeige
der Farbtemperatur liefert, zu schaffen, bei welchem man trotzdem von der Empfindlichkeit,
der spektralen Empfindlichkeitsverteilung und den Verstärkereigenschaften unabhängig
wird.
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Ausgehend von einem Farbpyrometer mit einer Vergleichslichtquelle,
mit zwei Filtern von unterschiedlichen Durchlässigkeitsbereichen und mit Abgleichmitteln,
durch welche die wirksamen Lichtströme von einem Meßobjekt und von der Vergleichslichtquelle
in jedem der Durchlässigkeitsbereiche der beiden Filter einander angeglichen werden,
sieht die Erfindung vor, daß durch jedes Filter in an sich bekannter Weise abwechselnd
das von dem Meßobjekt ausgehende Meßstrahlenbündel und das von der Vergleichslichtquelle
ausgehende Vergleichsstrahlenbündel auf jeweils einen Strahlungsempfänger geleitet
wird, daß die Abgleichmittel in an sich bekannter Weise von Blenden gebildet werden,
die im Strahlengang der beiden Vergleichsstrahlenbündel angeordnet sind, und daß
die Stellwege der beiden Blenden, vorzugsweise in elektrische Meßwerte umgewandelt,
einem Quotientenbilder zugeführt werden, welcher in an sich bekannter Weise einen
Meßwert für die Farbtemperatur des Meßobjektes liefert.
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Trotz Verwendung zweier Photozellen wird hier eine Unempfindlichkeit
der beanspruchten Anordnung gegen Anderungen der Verstärker- und Photo zelleneigenschaften
dadurch erzielt, daß in beiden Strahlengängen in an sich bekannter Weise ein automatischer
Abgleich erfolgt.
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Die Einzelmerkmale der Anordnung sind bei Farbpyrometern an sich
bekannt. Der Patentschutz erstreckt sich lediglich auf die Kombination sämtlicher
im Hauptanspruch gekennzeichneter Merkmale.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert: Das nicht dargestellte Meßobjekt wird durch ein Objektiv 1 auf
einer Blende 2 scharf abgebildet. Die Einstellung des Objektivs 1 erfolgt nach einem
auf einer Mattscheibe 3 erzeugten Bild, das durch einen teildurchlässigen Spiegel
4 aus dem Hauptstrahlengang seitlich herausgeklappt ist und durch eine Lupe 5 betrachtet
wird. Die durch die Blende 2
tretende Strahlung wird durch einen teildurchlässigen
Spiegel 6 in zwei Teilstrahlenbündel 7 und 8 aufgespalten. Der teildurchlässige
Spiegel 6 weist gleichmäßig verteilte voll- und unverspiegelte Zonen auf.
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Auf diese Weise läßt sich einfacher ein genau definiertes Teilverhältnis
erhalten als mit einem Spiegel, bei dem das Teilverhältnis durch die Dicke der gleichmäßig
aufgedampften Schicht bestimmt wird.
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Die Teilstrahlenbündel7, 8 werden durch eine vor dem Spiegel 6 angeordnete
Linse 9 auf je einer Photozelle 10, 11 fokussiert. Vor jeder Photozelle 10, 11 ist
ein Interferenzfilter 12, 13 angeordnet. Die Durchlässigkeitsbereiche der beiden
Filter sind voneinander verschieden. Mit 14 ist eine Kammblende bezeichnet, die
zu Justierzwecken in einem der Teilstrahlenbündel 8 angeordnet ist.
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Von einer Vergleichslichtquelle 15 gehen zwei Vergleichsstrahlenbündel
16, 17 aus, welche die beiden vom Meßobjekt ausgehenden Teilstrahlenbündel 7, 8
rechtwinklig kreuzen. Ein umlaufender Sektorspiegel 18 (vgl. Fig. 2) ist so angeordnet,
daß er abwechselnd die Meßstrahlenbündel 7 bzw. 8 zu den Photozellen 10 bzw. 11
durchläßt oder aber die Vergleichsstrahlenbündel 16 bzw. 17 auf die Photozellen
10 bzw. 11 umlenkt. Die Kreuzungspunkte der Strahlenbündel 7, 16 bzw. 8, 7 liegen
zu diesem Zweck in der Ebene des Spiegels 18. Naturgemäß wird dabei jeweils die
Photozelle 10 von dem Meßstrahlenbündel 7 beaufschlagt, wenn auf die Photozelle
11 das Vergleichsstrahlenbündei 17 fällt und umgekehrt.
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Die Strahlenbündel 16, 17 werden durch Linsen 19, 20 parallel gerichtet
und durch Linsen 21, 22 auf die Photozellen 10, 11 fokussiert. Zwischen den Linsen
19, 21 bzw. 20, 22 greifen in die parallel gerichteten Strahlenbündel 16, 17 Kammblenden
23, 24 (vgl.
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Fig. 3) ein.
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Die bei einem Intensitätsunterschied zwischen Meß-und Vergleichsstrahlenbündeln
7, 16 bzw. 8, 17 von den Photozellen gelieferten Wechselspannungen steuern über
Verstärker 25, 26 in an sich bekannter, nicht näher dargestellter Weise je einen
Stellmotor, durch welche die Blenden 23, 24 so lange verstellt werden, bis die Intensitäten
einander angeglichen sind.
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Mit der Kammblende 24 ist ein Registriergerät 27 gekoppelt, das die
schwarze Temperatur Ts des Meßobjektes, bezogen auf den Durchlässigkeitsbereich
des Filters 13, aufzeichnet. Die Stellwege der Kammblenden 23, 24 werden außerdem
- in elektrische Größen umgewandelt - einem Quotientenbilder 28 zugeführt, der ein
Registriergerät 29 für die Farbtemperatur TF des Meßobjektes speist.
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Wenn das Bild des Meßobjektes auf der Blende 2 scharf eingestellt
ist, so ergibt sich für die Meßstrahlenbündel ein von der Entfernung des Meßobjektes
unabhängiger Lichtstrom. Der vom Objektiv 1 erfaßte Lichtstrom ist zwar umgekehrt
proportional dem Quadrat des Abstandes vom Meßobjekt.
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Dafür verteilt er sich aber auf ein auf der Blende 2 erzeugtes Bild,
dessen Fläche ebenfalls quadratisch mit dem Abstand vom Meßobjekt abnimmt. Der durch
die konstante Blendenöffnung tretende Lichtstrom ist somit nur von der Strahlungsdichte
des Meßobjektes bestimmt, aber nicht mehr vom Abstand abhängig.
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Die Kammblenden 23, 24 werden selbsttätig so lange verstellt, bis
die Intensitäten der Meß- und der Vergleichsstrahlenbündel7, 16 bzw. 8, 17 einander
gleich sind. Der Verstellweg ist dann proportional der
Intensität
des Meßstrahlenbündels 7 bzw. 8. Dabei wird die Intensität der Vergleichslichtquelle
bei den beiden durch die Filter 12, 13 gegebenen Wellenlängen konstant gehalten.
Die Photozellen 10, 11 brauchen keinen Meßwert zu liefern, sondern dienen nur als
Indikator, ob Meß- und Vergleichsstrahlenbündel7, 16 bzw. 8, 17 gleich sind. Deshalb
geht deren Empfindlichkeit nicht in die Messung ein.
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Der vom Quotientenbilder 28 gelieferte Meßwert entspricht dem Intensitätsverhältnis
des Meßstrahlenbündels bei zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen. Dieses Verhältnis
hängt, wie oben erörtert wurde, eindeutig mit der Farbtemperatur Tr des Meßobjektes
zusammen. Der Stellweg der Blende 24 allein ist dagegen ein Maß für die schwarze
Temperatur Ts des Meßobjektes.