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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur von gasförmigen
MeBobjekten, insbesondere Flammen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung-zur Messung der Temperatur von gasförmigen Meßobjekten, insbesondere
von leuchtenden oder nicht leuchtenden Flammen.
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Bekanntlich kann man die Temperatur eines gasförmigen Meßobjektes,
insbesondere einer Flamme, dadurch bestimmen, daß man durch das Meßobjekt ein Lichtbündel
(Meßbündel) schickt, welches von einer Lichtquelle, z. B. einem Glübfaden, ausgesandt
wird und dessen Strahlungsenergie E für eine bestimmte Wellenlänge A, bekannt ist.
Zur Feststellung der Temperatur der Flamme muß dann für die gleiche Wellenlänge
einerseits die Energie E (z-a) + e des aus dem Meßobjekt austretenden Bündels gemessen
werden, welche durch die Summe der von der Flamme nicht absorbierten EnergieE (1-a)
des Meßbündels und der von der Flamme selbst ausgesandten Energie c gebildet wird,
und andererseits dieser Wert e allein, wobei a der Absorptionskoeffizient
der Flamme für die Wellenlänge A, ist.
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Bisher wurden die beiden Werte nacheinander z. B. unter Benutzung
eines drehbaren Verschlusses gemessen,
welcher das Meßbündel abwechselnd
durchläBt und abblendet. Bei schnell veränderlichen Temperaturen kam man jedoch
zu derartig hohen Frequenzen für die periodische Abblendung des Meßbündels, daß
diese Abblendung schwierig, wenn nicht unmöglich wurde.
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Die Erfindung bezweckt insbesondere, diese Schwierigkeit auszuschalten.
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Gemäß der Erfindung wird das Lichtbündel vor dem Meßobjekt teilweise,
vorzugsweise auf die Hälfte seines Querschnitts, abgeblendet und werden hinter dem
Meßöbjekt, jeweils in den Grenzen des abgeblendeten bzw. des nicht abgeblendeten
Teils, die Strahlungsenergien der beiden aus dem Meßobjekt austretenden Bündel bestimmt.
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Auf diese Weise können gleichzeitig und kontinuierlich die beiden
Werte "E (i-a) + e" und "e" gemessen werden, was die Erfindung besonders für die
Messung von schnell veränderlichen Temperaturen geeignet macht.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert.
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Fig. i und 2 zeigen das optische Schema eines erfindungsgemäßen Meßgeräts;
Fig. 3 zeigt ebenfalls schematisch die verschiedenen Teile des Geräts, welche sich
vor dem Meßobjekt, insbesondere einer Flamme, befinden, dessen Temperatur gemessen
werden soll; Fig. 4 zeigt eine Einzelheit der Fig. 3 ; Fig. 5 schließlich zeigt
schematisch die Empfangsgeräte, welche hinter einem Spektrographen oder einem ähnlichen
Gerät angeordnet sind, auf dessen Eingangsschlitz die aus der Flamme kommenden Strahlungen
projiziert werden.
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Durch die Flamme, deren Ebene durch die Ebene A-A der Fig. i angegeben
ist, wird ein Lichtstrahlenbündel geschickt, welches Meßbündel genannt wird und
von einer Lichtquelle i erzeugt wird, deren Strahlungsenergie E für eine gegebene
Wellenlänge bekannt ist. Diese Lichtquelle kann z. B. durch einen Wolfram faden
einer Lampe von 6 V und ioo W gebildet werden.
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Zwischen dieser Lichtquelle i und der Ebene A-A der Flamme ist zunächst
eine Blende 2 und hierauf eine Optik 3 angeordnet, welche das Bild des Glühfadens
i vergrößert in der Ebene B-B an der Stelle i. wiedergibt. In der gleichen Ebene
ist erfindungsgemäß eine verstellbare Blende mit einer scharfen, geradlinigen Kante
vorgesehen, welche nachstehend »Messer« genannt ist und dazu dient, einen Teil,
und zwar vorzugsweise die Hälfte, des Bildes i" abzublenden, das in der Ebene B-B
durch das von der Lichtquelle i ausgesandte Bündel gebildet wird. Mit Hilfe einer
zweiten Optik 4 wird das Bild i" in der Ebene A-A an der Stelle ib wieder gebildet,
wobei dieses Bild nur zur Hälfte aus dem von dem Glühfaden i kommenden Meßbündelbesteht,
währenddie andereHälfte durchdas Messer verdunkelt ist. Eine dritte, hinter der
Flamme liegende Optik 5 projiziert die "von der Fläche des Bildes ib kommenden Strahlen
auf den Eingangsschlitz eines Zerstreuungssystems, insbesondere eines Spektrographen,
dessen Eingangsschlitz mit einer Feldlinse 6 (Fig.2) versehen ist, während das innere
optische System dieses Spektrographen schematisch durch 7 und sein Ausgangsschlitz
durch 8 angedeutet sind.
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Infolge der teilweisen Abblendung des Bildes i" der Lichtquelle des
Meßbündels mittels des Messers hat nur der zu dem Spektrographen gelangende und
durch diesen hindurchgehende nicht abgeblendete Teil des Bündels eine Energie, welche
dem obigen Wert E (i - a) + e entspricht, während der Teil des Bündels, welcher
dem durch das Messer abgeblendeten Querschnitt entspricht, nur die EiZergie e hat.
Zur Bestimmung des Wertes E (i - a) + e einerseits und des Wertes
e
andererseits für eine bestimmte Wellenlänge ;, genügt es, hinter dem Spektrographen
die beiden obigen Teile des Bündels voneinander zu trennen und sie auf zwei verschiedene
Empfänger (z. B. zwei Photozellen) wirken zu lassen.
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Hierfür wird hinter dem Ausgangsschlitz 8 des Spektrographen mittels
einer Optik 9- das menochromatische Bild der Lichtquelle in der Ebene C-C wieder
hergestellt, und es wird an der Stelle, an welcher dieses Bild wieder hergestellt
wird, ein Aluminiumspiegel :[o angeordnet, welcher z. B. den Teil des Bündels, welcher
dem abgeblendeten Querschnitt entspricht und dessen Energie dem Wert e entspricht,
zu einem Empfänger R1 ablenkt, während der Teil des Bildes, welcher der nicht abgeblendeten
Zone entspricht und dessen Energie dem Wert E (i -a) + e entspricht, nicht abgelenkt
wird und auf einen Empfänger R, fällt. Die Angaben dieser Empfänger gestatten somit
die Bestimmung der Energien dieser beiden Teile des Bündels.
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Fig. g, 4 und 5 zeigen die Hauptteile des Geräts, dessen Aufbau dem
in Fig. i und 2 dargestellten Schema entspricht.
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Gemäß Fig. 3 sind die Lampe i mit Wolframfaden, die Blende 2, das
optische System 3, der Halter des Messers ii und das optische System 4 auf einem
gemeinsamen Sockel 12 angebracht und von einem Gehäuse 13 umschlossen. Das Messer
ii kann sowohl waagerecht als auch lotrecht verstellt werden. Diese Verstellung
erfolgt mit Hilfe von zwei lotrecht bzw. waagerecht angeordneten Schrauben 14 und
15. Die das Meßbündel unterteilende scharfe Kante des Messers ist gemäß Fig. 4 die
auf der linken Seite des Messers liegende lotrechte Kante.
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Fig. 5 zeigt schematisch den Spektrographen 7, an dessen Ausgang das
Bündel durch einen Spiegel 16 au£ einen regelbaren Schlitz 1,7 geworfen wird. Das
optische System 8 erzeugt das Bild der Lichtquelle des Bündels an der Stelle des
Aluminiumspiegels io, welcher, wie bereits oben ausgeführt, einen Teil des Bündels
auf den Empfänger R1 wirft, während der Rest des Bündels nicht abgelenkt wird und
auf den Empfänger R2 fällt. Das Gerät ist noch mit Mitteln zur Regelung der Breite
des Schlitzes 17, des Wertes von R und des Parallelismus sowie mit Mitteln für die
Scharfeinstellung des Bildes versehen, wobei die letzteren Mittel mit den Zahlen
18, ig und 2o bezeichnet sind.
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Bei der Benutzung des obigen Geräts für die Messung der Temperatur
eines Meßobjektes, insbesondere einer Flamme, zieht man zunächst das Messer ii vollständig
zurück und bringt den Glühfaden der Lampe i auf die gewünschte Glühtemperatur. Die
Empfänger R1 und R2 liefern dann Angaben, welche zu Anfang nicht unbedingt
gleich
sind, da Unterschiede dadurch entstehen können, daß der Spiegel io das Bündel nicht
in genau gleichen Teilen ablenkt, daß die Empfindlichkeiten der Empfänger nicht
gleich sind und daß der Spiegel io einen Reflexionskoeffizienten hat, der kleiner
als l ist. Natürlich darf der Unterschied der Angaben der Empfänger nicht von Unterschieden
der Strahlung der verschiedenen Abschnitte des Glühfadens herrühren, da die Gleichmäßigkeit
der Strahlung des ganzen Glühfadens eine wesentliche Bedingung für befriedigende
Meßergebnisse ist.
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Die etwaigen Unterschiede der Angaben der beiden Empfänger werden
dann durch die Einstellung des Verstärkers des einen oder des anderen Empfängers
ausgeglichen, bis die Angaben der beiden Empfänger die gleichen sind. Hierauf wird
das Messer in das Bündel hineinbewegt und in die richtige Stellung gebracht, welche
die ist, in welcher die Anzeige des Empfängers R1 auf den Nullpunkt zurückgeht,
während die Anzeige des Empfängers R2 unverändert bleibt. In diesem Augenblick teilt
das Messer das Lichtbündel genau in der gleichen Weise in zwei Teile wie der Spiegel
io, und die Vorrichtung ist zur Registrierung der beiden Werte "E (i - a) + e° und
"e" bereit. Man bringt nun das. Gerät in bezug auf die Flamme, deren Temperatur
gemessen werden soll, in eine solche Lage, daß das Bild lb in die Ebene der Flamme
fällt, und mißt die von dem Empfänger R1 bzw. von dem Empfänger R2 empfangenen Energien,
wobei die von dem Empfänger R1 empfangene dem Wert e und die von dem Empfänger R2
empfangene dem Wert E (i -a) + e
entspricht. Da die Strahlungsenergie
des Meßbündels ebenfalls bekannt ist, besitzt man so alle zur Berechnung der Flammentemperatur
erforderlichen Parameter. Da die beider. Werte E (i -a) + e und
e gleichzeitig und fortlaufend ohne Zuhilfenahme irgendeines beweglichen
mechanischen Teils erhalten werden, gestattet die obige Vorrichtung die Bestimmung
der Temperatur einer Flamme, welche sich sehr schnell ändert. Sie ist daher besonders
für die Untersuchung von Detonations- oder Explosionserscheinungen geeignet. Die
Anzeigen der beiden Empfänger R1 und R2 entsprechen zwar nicht genau den gleichen
Zonen der Flamme, aber immerhin sehr benachbarten Zonen. Bei Verringerung der Oberflächen
dieser Zonen auf den mit den Empfindlichkeiten der Empfänger verträglichen..Mindestwert
(die Gesamtfläche des untersuchten Gebiets kann ein Bruchteil von i mm2 sein und
z. B. etwa 1/1o mm 2 betragen) ist jedoch der Fehler, welcher davon herrührt, daß
die untersuchten Zonen nicht zusammenfallen, vernachlässigbar, selbst bei einer
Flamme, welche sich nicht im thermischen Gleichgewicht befindet. Natürlich ist dieser
Fehler bei einer Flamme mit thermischem Gleichgewicht nicht vorhanden.