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Anordnung zur Messung des Emissionskoeffizienten und gegebenenfalls
gleichzeitig der Farb- bzw. wahren Temperatur und der schwarzen Temperatur von strahlenden
-Körpern mittels lichtelektrischer Zellen und elektrischer Thermometer Anordnungen
zur Messung der Farbtemperatur sowie der schwarzen Temperatur von strahlenden Körpern
mittels Fotozellen sind bekannt.
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In manchen Fällen, insbesondere zur Beurteilung der Güte von Strahlschmelzen,
ist es wichtig, neben der Farbtemperatur den Emissionskoeffizienten des Strahlers
zu kennen. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Farbtemperatur und die schwarze
Temperatur eines Strahlers zu bestimmen, die Temperaturwerte mittels elektrischer
Meßgeräte anzuzeigen und die Meßgeräte so anzuordnen, daß aus dem Schnittpunkt der
sich kreuzenden Zeiger der Emissionskoeffizient bzw. der Gütegrad einer zu überwachenden
Schmelze erkennbar ist. Die funktionelle Abhängigkeit des Emissionskoeffizienten
von der Farbtemperatur und der schwarzen Temperatur ist nun so kompliziert, daß
eine unmittelbare Anzeige des Emissionskoeffizienten nur aus der Farb- und schwarzen
Temperatur z. B. unter Verwendung elektrischer Rechenschaltungen mit einfachen Mitteln
nicht möglich ist.
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Die Anordnung zur Messung des Emissionskoeffizienten von Temperaturstrahlern
gemäß der Erfindung besteht in der Kombination folgender Merkmale, eine unter Verwendung
von lichtelektrischen Zellen oder elektrischen Thermometern objektiv arbeitende
Meßeinrichtung zur Ermittlung der Farbtemperatur oder der wahren Temperatur
des
Strahlers, eine selbsttätige von der dem Meßwert (Farbtemperatur- bzw. wahre - Temperatur)
proportionalen mechanischen oder elektrischen Größe abgeleitete Einstellung des
Speisestromes für eine Vergleichs lampe, derart, daß die Vergleichslampe mit der
Farbtemperatur bzw. der wahren Temperatur des Strahlers leuchtet sowie durch eine
unter Verwendung von lichtelektrischen Zellen objektiv arbeitende Meßeinrichtung
zum Vergleich des Lichtes vom Strahler und von der Vergleichslampe bei einer Wellenlänge
und eine Anzeige der für diesen Abgleich erforderlichen Lichtschwächung bzw. einer
der Lichtschwächung proportionalen mechanischen oder elektrischen Größe.
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Das Verhältnis der Lichtintensitäben des strahlenden Körpers und
der Vergleichslampe bei gleicher Farbtemperatur bzw. gleicher wahren Temperatur
und bei der gleichen Lichtwellenlänge ist eine lineare Funktion des Emissionskoeffizienten
des strahlenden Körpers. Der Emissionskoeffizient kann somit in einem Meßinstrument
direkt angezeigt bzw. sein Verlauf mittels eines Schreibers registriert werden.
Zur Bestimmung der Farbtemperatur können alle mittels lichtelektrischen Zellen arbeitende
Meßeinrichtungen benutzt werden. Statt der Farbtemperatur kann auch die wahre Temperatur
des Strahlers mittels elektrischer Thermometer bestimmt werden.
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In den Zeichnungen erden Ausführungsbeispiele solcher gemäß der Erfindung
arbeitenden Meßanordnungen erläutert.
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In Fig. 1 werden zur Bestimmung der Farb- -temperatur von zwei Fotozellen
gesteuerbeschwingkreise verwendet, die mittels optischer oder elektrischer Glieder
auf gleiche Frequenz abgeglichen werden. Dieses Meßprinzip ist unter dem Namen Schwebungsverfahren
bekannt. Von der Vergleichslampe wird eine weitere Fotozelle beleuchtet, die ebenfalls
die Frequenz in einem angeschlossenen Schwingkreis bestimmt.
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In Fig. 2 wird zur Farbtemperaturmessung und zum Vergleich des Lichtes
derselben Wellenlänge von Strahler und Vergleichslampe bei- gleicher Farbtemperatur
das unter dem Namen Wechsel lichtverfahren bekannte Meßprinzip angewendet.-Fig.
3 zeigt eine durch Verwendung von Schwingungen als Wechsellichterzeuger vereinfachte
Anordnung.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung und wesentlicheVereinfachung
der Meßanordnung nach Fig. 3.
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In Fig. 5 wird an Stelle der Farbtemperatur die wahre Temperatur
des strahlenden Körpers mit einem Thermoelement gemessen.
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In Fig. I fällt das Licht des zu messenden strahlenden Körpers durch
die Farbfilter I und 2 auf die Fotozelien 3 und 4. Die Farbfilter lassen nur Licht
einer bestimmten Wellenlänge durch, z.-B. läßt das Filter I nur Licht der Wellenlänge
A1, weiterhin mit »grün« bezeichnet, und das Filter 2 nur Licht der WellenlängeR2,
weiterhin mit »rot« bezeichnet, durchtreten. Die Fotozelle 3 steuert den Glimmlampen-
oder Röhrenkippkreis 5, in dem sich zur Abstimmung der veränderbare Kondensator
C, befindet. Die Fotozelle 4 steuert gemäß der einfallenden Lichtintensitäten die
Frequenz im Kippkreis 6, der den festen Kondensator C3 enthält. Die den Kippkreisen
5 ünd 6 entsprechenden Spanzungen werden Qe einer Verstärkerröhre7J 8 zugeführt.
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Dile Anodenkreise der beiden Verstärkerröhren 7 und 8 sind durch
das Meßgerät Io verbunden.
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Dieses Meßgerät dient dazu, die Frequenzdifferenz der Kippkreise 5
und 6 sichtbar zu machen. Zur Bestimmung der Farbtemperatur wird nun der Kondensator
Ct so lange verändert, bis beide Kreise mit der gleichen Frequenz schwingen und
das Meßiristrument Io keine oder nur sehr langsame Schwebungen durch langsames Pendeln
seines Zeigers anzeigt. Durch die Veränderung des Kondensators C1 wird ein z. B.
auf der gleichen Achse angeordnetes Potentiometer R1 verstellt. Dieses Potentiometer
liegt in der Spannungszuführung des Vergleichsstrahlers 9. Das Potentiometer ist
nach einer solchen Funktion gewickelt, daß in Abhängigkeit von der Stellung des
Kondensators C1 der Widerstand im Vergleichslampenkreis eine solche Größe annimmt,
daß die Lampe mit der jeweils am Kondensator C, angezeigten Farbtemperatur leuchtet.
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An Stelle eines nach einer bestimmten Funktion gewickelten Potentiometers
kann das linear gewickelte Potentiometer auch über eine Kurvenscheibe od. dgl. vom
Kondensator C1 verstellt werden. Die Vergleichslampe g bestrahlt über das Farbfilter
2' die Fotozelle II. I . Das Farbfilter hat die gleiche Wellenlängendurchlässigkeit
wie das Filter 2. Die Fotozelle II steuert die Frequenz im Kippkreis 12-, der durch
den veränderbaren Kondensator C4 abgestimmt werden kann. Die sich im Kreis I2 einstellende
Spannung wird der Verstärkerröhre I4 zugeleitet. Die Anodenkreise der Verstärkerröhren
8 und 14 sind über das Meßgerät I3 verbunden. Durch Verstellen des Kondensators
C4 wird nun die Frequenz des Kippkreises 12 an die des Kreises 6 angeglichen. Der
Abgleich kann am Instrument I3 überwacht werden und ist dann erfolgt, wenn der Zeiger
des Meßinstrumentes nur sehr langsam pendelt. Die Stellung des Kondensators C4 ist
nach dem Abgleich ein Maß für den Emissionskoeffizienten, der z. B. an der Skala
des Kondensators C4 direkt abgelesen werden kann. Statt den Kreis 12 auf die Frequenz
des Kreises 6 abzustimmen, kann die Frequenzdifferenz der beiden Kreise auch direkt
als dem Emissionskoeffizienten proportionale Größe angezeigt werden.
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Die Abstimmung der Kreise 6 und I2 auf gleiche Frequenz kann auch
in den Lichtwegen durch Verstellen von Lichtschwächungsmitteln (z. B. Graukeilen)
vorgenommen werden. An die Stelle des Kondensators C4 tritt hierbei ein fester Kondensator.
Die Stellung der Lichtschwächungsmittel ist nach erfolgtem Abgleich in diesem Fall
ein Maß für die Farbtemperatur bzw. den Emissionskoeffizienten des Strahlers.
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Die Zeiger der beiden Meßinstrumente (zum Abgleich für die Farbtemperatur
und für den Emissionskoeffizienten) werden zweckmäßig so an-
geordnet,
daß sie entweder direkt oder über Spiegel während des Anvisierens des strahlenden
Körpers beobachtet werden können.
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In Fig. 2 wird das Licht des Strahlers S mittels einer Optik in die
Lichtwege I und II aufgespalten.
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Das Licht beider Wege wird durch die umlaufende Scheibe 50 moduliert.
Diese vom Motor angetriebene Scheibe trägt auf ihrem Umfang rote und grüne Farbfilter.
Die roten Filter liegen z. B. auf einem äuß;eren Durchm,esser der Scheibe, während
die grünen Filter auf einem kleineren Durchmesser angeordnet sind. Die Lage der
Filter zueinander ist so gewählt, daß z. B. in der gezeichneten Stellung der Scheibe
im Lichtweg 1 rotes Licht durchtreten kann, während der Lichtweg II gerade auf eine
Lücke zwischen 2 Grünfiltern trifft und somit gesperrt ist. Durch die Drehung der
Scheibe trifft somit abwechselnd rotes und grünes Licht auf der Fotozelle 19 ein.
Der Verstärker 52 steuert gemäß dem Unterschied der eintreffenden Lichtintensitäten
einenMotor53, der den Graukeil 54 im Lichtweg I so lange verschiebt, bis die auf
der Fotozelle aufeinanderfolgenden Lichtintensitäten gleich sind. Die Stellung des
Keils 54 ist dann ein Maß für die Farbtemperatur des Strahlers S. Gleichzeitig mit
der Verstellung des Keils 54 wird z. B. über eine Kurvenscheibe 62 ein Potentiometer
6I im Glühlampenstromkreis verstellt. Potentiometer und Kurvenscheibe sind so aufeinander
abgestimmt, daß jeweils der Strom im Lampenstromkreis fließt, der zur Einstellung
der Lampe auf die der Verstellung des Keils 54 entsprechende Farbtemperatur entspricht.
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Zur Bestimmung des Emissionskoeffizienten wird ein Teil des Strahlerlichtes
aus dem Lichtweg II mittels eines halbdurchlässigen Spiegels hinausgespiegelt und
auf einem Lichtweg III über eine weitere rotierende Scheibe 55 und einen Keil 56
auf die Fotozelle 59 geworfen. Auf dem Lichtweg IV kann das Licht der Vergleichslampe
auf die Fotozelle gelangen. Die vom Motor 60 angetriebene Scheibe 55 trägt auf ihrem
Umfang Farbfilter einer Wellenlängendurchlässigkeit, z. B. Rotfilter. Diese durchschlagen
wechselweise die Lichtwege III und IV, so däß abwlechselnd rotes Licht und solches
von der Vergleichslampe auf der Fotozelle 59 eintrifft.
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Der Verstärker 57 verstellt nun über den Motor 58 den Keil 56 so
lange, bis die auf der Fotozelle nacheinander eintreffenden Lichtimpulse gleiche
Intensitäten aufweisen. Die Stellung des Keils 56 ist nach erfolgtem Abgleich ein
Maß für den Emissionskoeffizienten des Strahlers S.
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In Fig. 3 fällt das Licht des Strahlers S über eine entsprechende
Optik und einen Spiegel 15 auf einen Schwingspiegel I6, der zur Wechsellichterzeugung
dient. Der Spiegel 16 wird mittels der Magnetspule 17 in periodische Schwingungen
versetzt. Das Licht des Strahlers S fällt in der einen Halbperiode der Schwingung
über den Keil I8 und das Farbfilter I auf die Fotozelle I9, während es in der anderen
Halbperiode über das Farbfilter 2 auf die Fotozelle gelangt. Im Verstärker 20 wird
nun die Amplitude des Spiegels I6 so eingestellt, daß die auf der Fotozelle 19 eintreffenden
Lichtimpulse aufeinanderfolgender Schwingungshalbperioden einander gleich sind.
Dies ist dadurch möglich, daß der über das Farbfilter I einfallende Lichtanteil
bei zunehmende Amplitude durch den Keil I8 zunehmend verändert wird. Der vom Verstärker
20 an den Schwinger gelieferte Strom ist ein Maß für das Verhältnis der durch die
Filter I und 2 fallenden Lichtintensitäten und damit ein Maß für die Farbtemperatur
des Strahlers S. Diese Meßanordnung ist an sich bekannt.
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Das Licht der Vergleichslampe g fällt über den Spiegel 21 auf den
Schwingspiegel 22; mittels der Erregerwicklung 24 und des Verstärkers 23 wird in
gleicher Weist wie vorstehend beschrieben, die Farbtemperatur des Strahlers g gemessen.
Ein dieser Farbtemperatur proportionaler Strom fließt im Ausgangskreis des Verstärkers
und wird der Spule 26 des Differenzmeßwerkes 27 zugeleitet. Der der Farbtemperatur
des Strahlers S entsprechende Strom fließt durch die Spule 28- des gleichen Differenzmeßwerks.
Dieses verstellt, gegebenenfalls über bekannte Verstärkereinrichtungen, das Potentiometer
29 im Spleisestromkreis der Vergleichslampe 9. Hierdurch wird der Speisestrom der
Lampe g und damit deren Farbtemperatur so lange verändert, bis die in den Spulen
26 und 28 fließenden Ströme gleich groß sind und das Differenzmeßwerk somit auf
den Nullwert zurückgeht.
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In diesem Fall strahlt die Lampe g mit der gleichen Farbtemperatur
wie der Strahler S.
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Uber einen weiteren vom Verstärker 30 gesteuerten Schwingspiegel
3I wird nun das Licht des Strahlers S und das von der Lampe g über den Rotfiltern
32 und 32' gleicher Wellenlängendurchlässiglçeit verglichen. Das Lampenlicht schwingt
hierbei über dem Keil 34 und wird dadurch mit zunehmende Amplitude verändert. Der
Schwinger 3I und die Lampe g sind so justiert, daß in der einen Halbpleriode das
Licht des Strahlers durch das Filter 32' auf die Fotozelle 35 fällt, während hierbei
das Licht der Lampeg auf dem gestrichelten Lichtweg herausgespiegelt wird und dile
Fotozelle nicht trifft. In der anderen Halbperiode dagegen ge langt das Licht der
Lampe g über den Keil 34 und das Filter 32 aüf die Fotozelle 35, während das Strahlerlicht
nach unten herausgespiegelt wird.
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Wenn der Verstärker 30 die Amplitude des Schwingers 3I so eingestellt
hat, daß auf der Fotozelle 35 in aufeinanderfolgenden Halbperioden gleiche Lichtimpulse
eintreffen, ist der Antriebsstrom des Schwingers 31 in der Wicklung 37 dem Emissionskoeffizienten
proportional, und dieser kann durch das Meßinstrument 36 angezeigt werden. An Stelle
des Meßinstrumentes oder gleichzeitig mit diesem kann auch ein Registriergerät angeschlossen
werden, auf dem nach Wunsch die Farbtemperatur, die schwarze Temperatur und der
Emissionskoeffizient aufgeschrieben werden können.
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An Stelle der Amplituden der schwingenden Spiegel kann auch deren
Nullage für den Abgleich der Lichtintensitäten verwendet werden. Die Anwendung der
Erfindung ist nicht auf die Verwen-
dung von schwingenden Spiegeln
als Wechsellichterzeuger beschränkt. Es können auch beliebige andere Anordnungen,
z. B. eine rotierende Scheibe zur Wechsellichterzeugung benutzt werden. Der Abgleich
der zu vergleichenden Lichtanteile auf gleiche Intensität kann z. B. durch Verschieben
von Lichtschwächungsmitteln (z. B. Graukeiln) im Strahliengang mittels Steuermotoren
vorgenommen werden. Die Verschiebung des Graukeils ist in diesem Fall z. B. ein
Maß für den Emissionskoeffizienten.
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In Fig. 4 ist eine der Fig. 3 ähnliche Anordnung dargestellt. Diese
ist jedoch so weit vereinfacht, daß nur zwei Schwingspiegel und nur zwei Verstärker
verwendet werden. Die Bestimmung der Farbtemperatur erfolgt wie zu Fig. 3 beschrieben.
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Der in der Wicklung 40 fließende Wechselstrom des Schwingers I6 ist
nach erfolgtemAbgleich ein Maß für die Farbtemperatur. Der Vergleichslampe g wird
von einer Fremdspannungsquelle über den Transformator 41 ein konstanter Speisestrom
zugeführt. Diesem im Lampenstromkreis g fließenden Grundstrom wird von der Farbtemperaturmeßeinrichtung
über die Wicklungen 40 und 44 ein von der Farbtemperatur abhängier Wechselstrom
überlagert. Die Spannung der Stromquelle 45 und die Widerstände 42 und 43 der Stromverzweigungsschaltung
werden nun so bemessen, daß in Abhängigkeit vom Strom in der Wicklung 40 der Lampenstrom
selbsttätig so eingestellt wird, daß die Lampe mit der gleichen Farbtemperatur wie
der Strahler S leuchtet. Die Bemessung der Widerstände und der Spannung 45 erfolgt
entsprechend der Lampencharakteristik, d. h. der funktionellen Abhängigkeit zwischen
Lampenstrom und Farbtemperatur der Lampe. Die Strahlung der Vergleichslampe g und
die des Strahlers S wird nun wie bereits zu Fig. 3 beschrieben, mittels des Schwingers
3I über Fotozellen 35 und Verstärker 30- verglichen und der Emissionskoeffizient
durch das Meßgerät 36 unmittelbar angezeigt.
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In Fig. 5 wird die wahre Temperatur des strahlenden Körpers S mittels
des Thermometerelementes 63 gemessen. Die Thermometerspannung steuert über den Verstärker
64 eine Wechselspannung. Die Amplitude dieser Spannung ist der wahren Temperatur
des Strahlers S proportional.
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Über die Wicklungen 40 und 44 wird diese Wechselspannung, wie im Beispiel
der Fig. 4 erläutert, in den Vergleichslampenstromkreis übertragen. Die Vergleichslampe
nimmt somit die wahre Temperatur des Strahlers an. Der Vergleich zwischen dem Licht
des Strahlers und dem der Vergleichslampe bei einer Wellenlänge (z. B. rot) und
die Anzeige des Emissionskoeffizienten erfolgt wieder wie bereits zu Fig. 4 beschrieben.
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An Stelle der transformatorischen Übertragung einer der Farb- bzw.
wahren Temperatur proportionalen Wechselspannung in dem Vergleichslampenkreis kann
auch mittels einer von der Temperaturmeßeinrichtung beeinflußten Röhrenschaltung
eine Steuerung des Stromes bzw. der Spannung in der Vergleichslampenschaltung erfolgen.
Die Charakteristik der Verstärlierröhre wird hierbei z. B. so gewählt, daß die Charakteristik
der Farbtemperatur der Lampe in Abhängigkeit vom Strom berücksichtigt ist.
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Die Steuerung der Vergleichslampe in Abhängigkeit von der Farb- bzw.
der wahren Temperatur des Strahlers kann durch Verstellen eines Potentiometers im
Vergleichslampenstromkreis erfolgen.
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Die Berücksichtigung der Charakteristik der Farb-bzw. wahren Temperatur
der Vergleichslampe in Abhängigkeit vom durchfließenden Strom erfolgt z. B. durch
Verstellen des Potentiometers über eine entsprechend geformte Kurvenscheibe oder
es wird ein Potentiometer verwendet, dessen Wicklungswiderstand sich entsprechend
dieser Charakteristik ändert.