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Einrichtung zum Messen der Farbtemperatur von strahlenden Körpern
Für die Messung der Farbtemperatur muß die Strahlung des zu messenden Körpers in
zwei spektrale Bereiche mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgeteilt werden. Gebräuchliche
Farbfilter lassen einen eng begrenzten spektralen Bereich der Strahlung hindurchtreten
und absorbieren die übrige Strahlung. Sie können sich infolgedessen stark erwärmen.
Außerdem treten vielfach im Gebiet längerer Wellen wieder störende Durchlässigkeitsbereiche
auf. Auch Interferenzfilter besitzen neben dem für die Messung ausgenutzten Durchlässigkeitsbereich
Nebenbereiche der Durchlässigkeit, vor allem im ultraroten Strahlungsgebiet.
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Als Strahlungsempfänger für Farbpyrometer sind Fotoelemente, Fotozellen
und Thermoelemente gebräuchlich. Die insbesondere bei Thermoelementen erforderliche
größere Strahlungsintensität würde in den vorgeschalteten Farbfiltern eine Meßfehler
verursachende Erwärmung hervorrufen.
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Zur Strahlentrennung bei Farbpyrometern sind außerdem sogenerrGoldfilter,
d. h. mit einer Gbldschicht bedampfte Glasfolien verwendet worden, die das rote
Licht reflektieren und das grüne Licht durchtreten lassen, wenn sie unter einem
Winkel von 450 von der Strahlung getroffen werden.
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Außerdem wurden zur Farbentrennung bei Farbfernsehgeräten mit Salzschichten
bedeckte Gläser verwendet, die das blaue Licht reflektieren und rotes Licht durchtreten
lassen. Bei diesen Filtern tritt praktisch keine Erwärmung durch Absorption auf.
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Jedoch ist die Lage der Grenzwellenlänge, bei der die Spektralbereiche
getrennt werden, hier von der Dicke der aufgebrachten Goldschicht bzw. Salzschicht
abhängig und kann erst nach der Herstellung der Filter festgestellt werden, wenn
eine entsprechende Messung durchgefiihrt wird. Weiter ist die Lage der Grenzwellenlänge
davon abhängig, unter welchem Winkel die Strahlung auf das Filter trifft. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, für die Strahlentrennung bei Farbpyrometern eine Gruppe
von Filtern anzugeben, deren Grenzwellenlänge allein durch das Filtermaterial bestimmt
ist.
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Gemäß der Erfindung ist das Trennfilter ein Halbleiter, dessen untere
Grenzwellenlänge im sichtbaren Gebiet oder im benachbarten Ultrarot zur Strahlentrennung
ausgenutzt ist. Als Halbleiter für diesen Zweck besonders geeignet sind Elemente
der IV. Gruppe des Periodischen Systems oder Mischverbindungen aus Elementen der
III. und V. Gruppe.
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Als besonders vorteilhaft sind aus der IV. Gruppe des Periodischen
Systems Silizium und Germanium zu nennen und aus der Gruppe der Mischverbindun-
gen
Galliumphosphid (GaP), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Indiumarsenid
OnAs), Indium-Arsenidantimonid [In (AsSb)j. Die jeweils erwünschten Grenzwellenbereiche,
z. B. um bestimmte störende Absorptionsbanden auszuschalten, werden erhalten, wenn
die genannten Halbleiter in bekannter Weise in passenden Verhältnissen gemischt
sind.
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Aus Germanium sind bereits optische Linsen hergestellt worden, bei
denen die Durchlässigkeit für ultrarote Strahlung bei diesem Material ausgenutzt
wurde. Außerdem ist es bekannt, einen Germaniumkristall als Modulator für ultrarote
Strahlung zu verwenden. An den Kristall wird senkrecht zur Durchtrittsrichtung der
ultraroten Stahlung eine Spannung angelegt, mit der die Zahl der Ladungsträger in
dem Kristall verändert werden kann. Die Durchlässigkeit des Kristalls für ultrarote
Strahlung ist dann von der angelegten Spannung abhängig, und die durchtretende Strahlung
läßt sich mit dieser Spannung modulieren.
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Die Halbleitermaterialien sind zur Strahlentrennung bei Farbpyrometern
besonders geeignet, da sie für kurzwellige Strahlung unter einer bestimmten Grenzwellenlänge
völlig undurchlässig, dagegen für langwellige Strahlung von größerer Wellenlänge
als der Grenzwellenlänge entspricht, praktisch vollkommen durchlässig sind. Dieses
Verhalten ist nicht wie bei den Farbgläsern auf Absorption zurückzuführen, sondern
die Halbleiter lassen die langwellige Strahlung bei vernachlässigbarer kleiner Absorption
und nur geringer Reflexion hindurchtreten, während die Strahlung kürzerer Wellenlänge
praktisch vollkommen reflektiert wird. Bei einigen Halbleitern oder Mischverbindungen
von Halbleitern tritt bei längeren Wellenlängen im langwelligen ultraroten Strahlungsgebiet
eine weitere Trennstelle auf, bei der noch langwelligere Strahlung reflektiert wird.
Diese Trennstelle
liegt aber im Wellenlängengebiet oberhalb von
6 bis 8'1 und stört die Messung nicht, da im Strahlengang üblicherweise bei Farbpyrometern
Glaslinsen oder Glasscheiben angeordnet sind, die ohnehin alle Strahlung absorbieren,
deren Wellenlänge größer ist als etwa 4 bis 5 u.
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Bei den Halbleitermaterialien ist die Grenzwellenlänge unabhängig
von dem Winkel, unter dem die Strahlung einfällt und unabhängig von der Dicke des
Filtermaterials. Die Trennstelle läßt sich daher reproduzierbar auf einen bestimmten
Wellenlängenwert einstellen, indem die entsprechende Halbleiterlegierung passend
gewählt wird. Diese Eigenschaft unterscheidet die genannten Filter vorteilhaft von
den früher erwähnten Goldfiltern.
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Ein besonders einfaches Farbfilter wird erhalten, wenn der Halbleiter
als Scheibe oder Platte ausgebildet und in bei Farbpyrometern bekannter Weise zur
Aufteilung der Strahlung in einen reflektierten und einen durchgelassenen Anteil
zur Achse der Strahlung schräg gestellt ist. Der durchgelassene Anteil enthält die
langwellige Strahlung, während die reflektierte Komponente sich aus kurzwelliger
Strahlung unterhalb der Grezwellenlänge und einem geringen Anteil restlicher reflektierter
langwelliger Strahlung zusammensetzt. Die Strahlung beider Strahlungswege trifft
auf je einen Strahlungsempfänger beliebiger Art, vornehmlich auf je ein Vielfachthermoelement.
Als Halbleiterfilter eignen sich besonders GaAs, InP, Si, Ge und Jn (As, Sb), deren
Grenzwellenlängen in der Reihenfolge der Aufzählung bei 0,92; 1,0; 1,2; 1,7 und
2,5 Z liegen.
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Als Strahlungsempfänger können in bekannter Weise auch Fotoelemente
oder Fotozellen beliebiger Art verwendet werden. In diesem Fall muß ein Halbleitermaterial
benutzt werden, dessen Grenzwellenlänge innerhalb des Empfindlichkeitsbereiches
der verwendeten Fotoelemente oder Fotozellen liegt. In Verbindung mit lichtelektrischen
Empfängern, die auf das sichtbare Strahlungsgebiet ansprechen, eignet sich besonders
Galliumphosphid (GaP), dessen Grenzwellenlänge bei 0,55 liegt.
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Man kann auch bestimmte Wellenlängenbereiche aussondern, wenn man
geeignete Zusatzfilter vor oder hinter dem Hauptfilter aus Halbleitermaterial anordnet.
Durch Filter vor dem Hauptfllter kann man z. B. den gesamten Strahlungsbereich nach
längeren Wellenlängen hin zusätzlich begrenzen oder eine Wellenlängenbegrenzung
im kurzwelligen Teil durch Filter vor dem Strahlungsempfänger für das kurzwelligere
Licht bewirken. Beide Maßnahmen können auch gemeinsam angewendet werden. Zur Begrenzung
im kurzwelligen Teil wird zweckmäßig wiederum ein Filter aus Halbleiterwerkstoff
benutzt, dessen Grenzwellenlängen bei kürzerer Wellenlänge liegen als das Hauptfilter.
Es kann dann entweder der vom Zusatzfilter durchgelassene oder auch der reflektierte
Anteil der Strahlung auf den Empfänger für den kurzwelligeren Lichtanteil treffen.
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Für die Anzeige der Farbtemperatur können an sich beliebige bekannte
Kompensationsverfahren benutzt werden, durch die das Verhältnis der beiden Strahlungsenergien
bestimmt wird. Auch die sonstigen bekannten Schaltungen zur Darstellung des Quotienten
der von den beiden Strahlungsempfängern abgegebenen elektrischen Leistung sind verwendbar,
z. B. Quotientenmeßgeräte, Differenzmeßschaltungen unter Benutzung von logarithmierenden
Schalt-
elementen od. dgl. Ferner kann auch das bekannte Wechsellichtverfahren eingesetzt
werden, das nur eine lichtelektrische Zelle erfordert und Ungleichmäßigkeiten der
sonst üblichen zwei Empfänger ausschaltet.
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Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung drei der Erläuterung
dienende Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgebildeten Farbtemperatur-Meßeinrichtungen.
In F i g. 1 ist der Strahlengang einer mit zwei Thermoelementen als Strahlungsempfänger
ausgerüsteten Meßeinrichtung mit einem Trennfilter dargestellt; Fig. 2 zeigt ein
Beispiel für eine an sich bekannte selbsttätige Kompensationsmeßeinrichtung, die
an die Thermoelemente des Farbpyrometers nach Fig. 1 angeschlossen werden kann;
Fig.3 gibt eine Anordnung wieder. bei der durch mehrere Filter eine zusätzliche
Strahlenbegrenzung vorgenommen wird.
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Nach Fig. 1 trifft die Strahlung des Körpers 1, dessen Temperatur
gemessen werden soll, auf das Objektiv L1 des erfindungsgemäß ausgebildeten Farbpyrometers
2. Das von der Linse L1 entworfene Bild des Körpers 1 wird über die Linsen auf die
Vielfachthermoelemente Tlz, und Th2. abgebildet. In gleicher Entfernung von beiden
Thermoelementen befindet sich eine Scheibe aus Halbleitermaterial. die unter einem
Winkel von 450 schräg zur Achse der Strahlung steht. Durch diese Scheibe F wird
die einfallende Strahlung in zwei Bereiche unterschiedlicher Wellenlänge aufgeteilt.
Die hindurchtretende und auf das Thermoelement Th1 treffende Strahlung besteht aus
langwelligem Licht und enthält nur Wellenlängen, die größer sind als die Grenzwellenlängen
des Halbleiters. Das an der Halbleiterscheibe reflektierte Licht enthält den kurzrvellig
n Anteil oberhalb der Grenzwellenlänge und nur emen geringen Teil von noch reflektierter
langwelliger Strahlung. Die beiden Thermoelemente sind, wie Fig.2 zeigt, gegeneinandergeschaltet,
und die Spannungsdifferenz wird dem Eingang eines Kompensationsverstärkers K zugeführt.
Im Kreis des einen Thermoelementes ist ein Widerstand 3 mit einem verstellbaren
Abgriff 4 angeordnet. Dieser Abgriff wird in bekannter Weise von einem im Ausgang
des Kompensationsverstärkers K angeordneten Stellmotor 5 so lange verstellt, bis
die Spannungsdifferenz im Eingang des Verstärkers praktisch verschwindet. Die Stellung
des Schleifers 4 ist dann ein Maß für die Farbtemperatur des Körpers 1. Derartige
Kompensationsschaltungen sind bekannt.
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Nach Fig.3 wird die Schaltung zunächst in gleicher Weise wie in Fig.
1 über eine LinsenanordnungLt und L2 geleitet und tritt dann durch ein Olasfilter
6, das Wellenlängen über etwa 2 CL nicht mehr durchläßt. Das Licht trifft weiter
auf ein halbdurchlässiges Trennfilter 7, z. B. aus Germanium mit einer Grenzwellenlänge
bei 1,7 p und wird hierdurch in einen durchgelassenen Anteil 8 und einen reflektierten
Anteil 9 aufgespalten. Der durchgelassene Anteil 8 enthält Licht der Wellenlängen
zwischen 1,7 und 211 und trifft auf den Strahlungsempfänger 10. Das reflektierte
Licht 9, das die Wellenlängen unterhalb 1,7 u enthält, trifft auf ein Halbleiterfilter
11, z. B. aus Silizium (Grenzwellenlänge 1,2 p), und dieses läßt nun Strahlen oberhalb
1,2 , d. h. zwischen 1,2 und 1,7 Z durch, reflektiert
dagegen Strahlen
unterhalb 1,2y. Der Strahlungsempfänger 12 ist im Zeichnungsbeispiel hinter dem
Filter 11 angeordnet. Er könnte auch in den Strahlengang des reflektierten Lichtes
gesetzt werden, wenn man das Licht der Wellenlängen unter 1,2 pt zur Messung heranziehen
wollte.
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Die Lichtführung kann in beliebiger anderer Weise vorgenommen werden.
So kann beispielsweise lediglich eine Fotozelle benutzt werden und die Strahlung
der beiden Strahlungswege nach dem bekannten Wechsellichtverfahren abwechselnd auf
die Fotozelle treffen.