DE3031959A1 - Verfahren und anordnung zum messen der temperatur und des spektralen faktors von proben - Google Patents

Description

NAOHäEREIOHT

ISHIKAWAJIMA-HARIMA HEAVY INDUSTRIES CO., LTD., Tokyo, Japan

Verfahren und Anordnung zum Messen der Temperatur und des spektralen Paktors von Proben

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Temperatur und der spektralen Faktoren von Proben und befaßt sich mit Anordnungen zum Ausführen des Verfahrens.

Nach der Erfindung wird der Strahlungsfluß von N (N ^ 1) Strahlern oder Proben bezüglich M (M = 3) Kanälen, d.h. Frequenzbändern, spektral analysiert, wobei in jedem Kanal eine Beziehung zwischen der spektralen Strahlungsflußintensität und dem approximierten spektralen Faktor, abhängig nur noch von der Wellenlänge und der Temperatur, unter Anwendung des Strahlungsgesetzes nach Planck ausgewertet wird, und zwar unter der Bedingung, daß eine Beziehung N + K = M zwischen der Anzahl M der Kanäle, der Anzahl N der Proben mit unbekannten Temperaturwerten und der Anzahl K der unbekannten Terme des approximierten spektralen Faktors der Proben eingehalten wird, die unbekannten Terme des spektralen Faktors durch strikte algebraische Entwicklung der oben erwähnten Beziehung alle herausgestrichen werden, um eine nur noch die Temperatur betreffende, eindimensionale Gleichung zu erhalten, die eindimensionale Gleichung für die Temperatur unter Verwendung der spektralen Strahlungsflußinterisitätswerte Jedes Kanals, usw. gelöst wird, die spektralen Strahlungsflußintensitäten in einen Analogrechner oder einen Digitalrechner gegeben werden, um die gemessenen oder Meßwerte der Temperatur der Proben zu erhalten, und aus den gewonnenen Meßwerten der Temperatur und der oben erwähnten Beziehung der spektrale Faktor der Proben erhalten wird.

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Die Merkmale des Verfahrens und der Anordnung zum Messen der Temperatur und der spektralen Paktoren nach der Erfindung bestehen darin (1) daß vorläufige oder vorbereitende Daten betreffend die spektralen Faktoren der Probe nicht benötigt werden, (2) daß die Temperatur und der spektrale Faktor (sowohl nach Betrag bzw. Wert und Farbe) gleichzeitig gemessen werden können, (3) daß es somit nicht notwendig ist, den spektralen Faktor als eine Funktion der Temperatur zu betrachten, obgleich er tatsächlich eine Funktion der Wellenlänge und Temperatur ist, (4) daß die erwähnte eindimensionale Gleichung zum Gewinnen der Temperatur nicht kompliziertest, selbst wenn man die Anzahl der Kanäle erhöht, und (5) daß bei der Analyse des Strahlungsflusses in M Kanälen der als Funktion der Wellenlänge ausgedrückte spektrale Faktor mit M χ Ν Freiheiten dargestellt werden soll, was zu einem exakten Wert des spektralen Faktors bezüglich der gesamten Proben führt, weil der spektrale Faktor jeder Probe M Freiheiten hat (d.h. wenn der spektrale Faktor 6^ für einen i-ten Kanal bezüglich der η-ten Probe ^_n1, £_n2» ···· ^_nM ^^ür die M analysierten Kanäle sein kann), wobei die Freiheit des spektralen Faktors in M - N approximiert wird (N = 1, für den Fall, daß nur eine Probe vorhanden ist), allerdings keine Approximation beim Ableitungsvorgang der Gleichung gemacht wird, so daß die Genauigkeit der Lösung der eindimensionalen Gleichung (d.h. der Wert von der Messung) gut ist und eine analytische Aussage hat.

Die spektralen Faktoren, die bei der Erfindung in Betracht kommen, umfassen nicht nur das spektrale Emissionsvermögen oder den spektralen Emissionsgrad, sondern auch das spektrale Reflexionsvermögen oder den spektralen Reflexionsgrad und die spektrale Durchlässigkeit oder den spektralen Transmissionsgrad. Es sind somit Werte, die die physikalischen Eigenschaften der Probe betreffen, und andere Faktoren wie diejenigen, die die Oberflächenbeschaf-

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fenheit, Gestalt, Form und Flächenbereich der Probe, Stellung oder Lage zwischen der Probe und dem Meßinstrument, Zustand des Lichtwegs zwischen der Probe und dem Meßinstrument usw. darstellen. Ferner ist ein zusammengesetzter Faktor eingeschlossen, der die Kombination aus dem Emissionsgrad, Reflexionsgrad und Transmissionsgrad betrifft... Zwischen dem Emissionsgrad £ und dem Reflexionsgrad $ braucht keine Beziehung zu bestehen. Die Erfindung kann auch auf den Fall angewendet werden, daß £ + 9 a? 1.

Jetzt sollen eine herkömmliche Anordnung nach dem Stand der Technik und eine nach der Erfindung ausgebildete Anordnung miteinander für den Fall verglichen werden, daß die Temperatur und der spektrale Faktor durch spektrale Analyse des Strahlungsflusses einer einzigen Probe (N = 1) in mehreren Kanälen ohne die Verwendung vorläufiger oder vorheriger Daten betreffend den spektralen Faktor gemessen werden:

(a) 1-Kanal-Meßanordnung: Diese Anordnung entspricht der herkömmlichen Helligkeitstemperaturmessung. Diese Anordnung oder dieses System bietet keine Freiheit für die Messung des spektralen Faktors, so daß es nur dann angewendet werden kann, wenn die Probe ein schwarzer Körper ist. Diese Anordnung oder dieses System macht sich die Erfindung nicht zu eigen.

(b) 2-Kanal-Meßanordnung: Diese Anordnung oder dieses System entspricht der herkömmlichen* verteilten Temperaturmessung. Dabei ist die Freiheit zur Messung des spektralen Faktors gleich 1, das Ausmaß des Grau der Probe (d.h. wertweise Eigenschaft) kann man erhalten. Wenn man somit den spektralen Faktor als eine Funktion der Wellenlänge ausdrückt, erhält man den spektralen Faktor als einen konstanten Term in der Funktion. Dieses System macht sich die Erfindung nicht zu eigen. (Die Erfindung umfaßt ein

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Verfahren, bei dem eine Vielzahl von Kombinationen aus zwei Kanälen durch geeignete Auswahl von zwei unter drei oder mehreren spektralen Strahlungsflußkanälen hergestellt wird, die Temperatur und der graue spektrale Faktor für jede der 2-Kanal-Kombinationen unter Verwendung eines 2-Kanal-Maßsystems (auf der Grundlage der. Prinzipien des 2-Farben-Spektrophotometriepyrometers) erhalten werden und der Graufaktor in einen färbenthaltenden spektralen Faktor so korrigiert wird, daß für all die 2-Kanal-Kombinationen eine gleiche Temperatur erhalten wird. Diese erfindungsgemäße Anordnung kann sicherlich nicht mit der 2-Kanal-Meßanordnung verglichen werden.)

(c) 3-Kanal-Meßanordnung: Diese Anordnung oder dieses System ist bisher noch nicht vorgeschlagen worden, d.h. es wurde zum erstenmal durch die Erfindung propagiert. In diesem System sind zwei Freiheiten für die Messung des spektralen Faktors vorhanden. Das Grauausmaß der Probe und die Art der Darstellung der Farbe (d.h. eine Eigenschaft, die dem Wert und dem Farbton ähnelt) werden erhalten. Wenn man beispielsweise den spektralen Faktor als ein Polynom der Wellenlänge vom dritten Grad ausdrückt, kann man den konstanten Term (Faktor des Terms vom O-ten Grad) und den Faktor des Terms vom ersten Grad erhalten.

(d) M-Kanal-Meßanordnung (M = 3): In dieser Anordnung oder in diesem System sind M - 1 Freiheiten für die Messung des spektralen Faktors vorhanden. Das Grauausmaß der Probe, die Art und Weise der Darstellung der Farbe und das Ausmaß der Anteiligkeit der Farbe (eine Eigenschaft, die dem Wert, dem Farbton und der Sättigung ähnelt) kann man erhalten. Den spektralen Faktor kann man beispielsweise durch ein Polynom der Wellenlänge vom (M - 2)-ten Grad ausdrücken.

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Das folgende ist eine Zusammenfassung der Erfindung:

Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine fortschrittliche Technik, die auf dem Stand der Technik fußt, Jedoch eine mehr als sprungartige Weiterentwicklung darstellt. Drückt man den spektralen Faktor als ein Polynom der Wellenlänge eines hohen Grads aus und setzt M = 1 in die eindimensionale Gleichung,.die den Wert der Temperatur der Probe liefert, erhält man eine herkömmliche Gleichung für die Helligkeitstemperaturmessung. Setzt man M = 2, anstelle von M = 1, erhält man eine herkömmliche Gleichung für die verteilte Temperaturmessung. Die Gleichung nach der Erfindung ist somit universell und schließt die Gleichungen nach dem Stand der Technik ein.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, zum Messen der Temperatur und des spektralen Paktors von ΓΤ verschiedenen Proben ein Verfahren und eine Anordnung vorzusehen, ohne daß die Beschränkungen vorhanden sind, die den herkömmlichen Meßsystemen eigen sind. Dies geschieht durch Gewinnen elektrisch erfaßter Werte von Spektren von Strahlungsflüssen von N verschiedenen Proben, die in Form eines einzigen Strahlungsflusses empfangen werden, wobei effektive Wellenlängen der Spektren 2N Farben in einer besonderen Wellenlängenbeziehung zueinander enthalten, durch Lösen einer Gleichung

N JL . -

^{21 £}n "η*^{1 = Y}i (i = 1, 2, 3 2N-1),

wobei 6 der typische spektrale Faktor der N Proben ist, die als graue Körper betrachtet werden, U = exp f—2.) , γ - -i--— τ die typische Temperatur der N Proben ist,

°i 1
g^ die spektrale Verstärkung oder der spektrale Gewinn bei der effektiven Wellenlänge /^ ist, C₁ = 3,74150 χ 10~¹⁶

2 —2

W«m , C₂ = 1,43879 χ 10 m«Grad, unter Verwendung der

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oben erwähnten besonderen Wellenlängenbeziehung zwecks Gewinnung der Temperatur für jede Probe und durch Erhalten des spektralen Faktors aus dem gewonnenen Temperaturwert.

Ein weiteres (zweites) Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zum genauen Messen der Temperatur und des spektralen Faktors von N verschiedenen Proben zu schaffen, ohne daß die dem herkömmlichen Meßsystem eigenen Beschränkungen auftreten, und zwar durch Gewinnen elektrisch erfaßter Werte von Spektren der Strahlungsflüsse von N verschiedenen Proben, empfangen in Form eines einzigen Strahlungsflusses, bezüglich der effektiven Wellenlängen für 2N von M (M ^ 2N) Farben, die in einer besonderen Wellenlängenrelation oder Wellenlängenbeziehung zueinander stehen, durch Lösen einer Gleichung

N _l_
^₁ ^£n ^ϋη^{λ1 =Y}i (i = 1, 2, 3 2N-1),

wobei £ der typische spektrale Faktor der N Proben ist,

2 die als graue Körper betrachtet werden, U = exp ,

Χ.·/1·^{5 n}

γ s, . _f τ die typische Temperatur der N Proben ist, S₁ * C-| ⁿ

g. die Verstärkung oder der Gewinn bei der effektiven Wellenlänge A₁ ist, C₁ = 3,74150 χ 10"¹⁶ W-m² und C₂ 1,43879 χ 10" m'Grad, unter Verwendung der oben erwähnten besonderen Wellenlängenbeziehung, um die Temperatur und den spektralen Faktor für jede Probe zu erhalten, und durch Überprüfen, ob oder ob nicht die theoretisch analysierte Strahlung auf den erfaßten Wert konvergiert, und zwar unter Verwendung der erhaltenen Temperatur und des erhaltenen spektralen Faktors als Anfangswerte, um auf diese Weise genaue Messungen der Temperatur und des spektralen Faktors der Proben zu erzielen.

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Ein weiteres (drittes) Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen der Temperatur und des spektralen Faktors einer einzigen Probe zu schaffen, die eine Temperaturstrahlung abgibt, ohne daß dazu irgendeine besondere Beleuchtungslichtquelle zur Abschätzung des spektralen Faktors durch Messung benutzt wird und auch keine Bedingungen eingegangen werden, die bei der Messung der Probe Beschränkungen auferlegen (beispielsweise Ulbricht'sehe Kugel, ebene Platte usw.)» und zwar durch Verwenden von elektrischen Erfassungswerten, die für m Farben erhalten worden sind, und von Approximationswerten der spektralen Funktion von der effektiven Wellenlänge mit m - 1 unbekannten Termen zwecks Gewinnung der Temperatur und auch durch Auflösen nach den Unbekannten in der.. Approximationsformel, die den spektralen Faktor in bezug auf die effektive Wellenlänge beschreibt, um auf diese Weise den spektralen Faktor zu erhalten.

Ein weiteres (viertes) Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen der Temperatur und des spektralen Faktors zu schaffen, und zwar durch Erzeugen von Kombinationen von Daten zweier Kanäle, die aus drei oder mehreren spektralen Kanälen, die man durch spektrales Trennen oder Zerlegen des Strahlungsflusses einer Probe erhält, passend ausgewählt sind, durch Erhalten der Temperatur und des Graufaktors für jede Kombination unter Verwendung der Prinzipien des 2-Farben-Spektrophotometriepyrometers, und durch ein solches Korrigieren des Graufaktors in einen farbenthaltenden spektralen Faktor, daß man für all die Kombinationen eine gleiche Temperatur erhält, wodurch die Temperatur und der spektrale Faktor der Probe erhalten werden. Damit besteht die Möglichkeit, eine genaue Messung selbst dann vorzunehmen, wenn sich die Temperatur oder der spektrale Faktor der Probe momentan ändern. Weiterhin wird man in die Lage versetzt, Abtastungen oder Messungen an sich bewegenden Proben vorzunehmen,

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die "beispielsweise auf einem Fließband sein können, wo verschiedenartige Produkte gefördert werden. Gestattet wird auch die Messung der Temperatur und der Zustand der Färbung eines farbigen Gegenstands, und zwar gleichzeitig, ohne vorherige Kenntnisse oder experimentelle Versuche vor der eigentlichen Messung. Schließlich wird auch, die Messung der Temperatur von verschmolzenen Teilen beim kontinuierlichen Bogenschweißen ermöglicht. Ein Testen des Meßinstruments braucht nicht zu erfolgen, da das Instrument die Prinzipien des bekannten 2-Farben-Spektrophotometriepyrometers benutzt.

Ein weiteres (fünftes) Ziel der Erfindung besteht darin, zum Messen der Temperatur und des spektralen Faktors von Proben ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, die diese Messungen unter Ausschluß von Wirkungen gestatten, die durch thermische Strahlung der Umgebung oder Beleuchtungslicht, wenn vorhanden, in der von der Probe kommenden Strahlung enthalten sind und somit mit dieser Strahlung auf dem Meßinstrument auftreffen. Auf diese Weise wird es beispielsweise ermöglicht, die Temperatur von Wolken während der Tageszeit zu messen, die Temperatur von Gegenständen in einem Vakuumwärmebehandlungsofen zu messen, die Temperatur und den spektralen Faktor von Erzeugnissen zu messen, die angestrahlt durch ein Beleuchtungslicht längs eines Förder- oder Fließbandes bewegt werden, um eine Qualitätskontrolle vorzunehmen, und die Temperatur der Außenwand eines sich drehenden Zementofens zu messen, und zwar unabhängig davon, ob Sonneneinstrahlung vorhanden ist oder nicht.

Ein weiteres (sechstes) Ziel der Erfindung besteht darin, ein Viel-Kanal-Strahlungsmeßsystem zu schaffen, das die Messung zahlreicher Punkte mit einer einzigen Meßein-

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heit erreicht, und zwar dadurch, daß die Strahlungsflüsse einer Vielzahl von Strahlern oder Proben, die die Meßgegenstände darstellen, mit Hilfe optischer Fasern zu einem einzigen Punkt geführt werden. Auf diese Weise ist eine zentrale Überwachung und Kontrolle bezüglich der Qualität von Erzeugnissen oder des Zustande von ausgedehnten Flächen oder Räumen möglich. Damit können beispielsweise die Installationskosten herabgesetzt werden. Verbessert werden können insbesondere Überwachungsdienste und Meßdienste. Durch schnelle Abtastung der einzelnen Strahlungsflüsse ist eine Realzeit- oder Echtzeitkontrolle möglich. Durch spektrale Multiplikation der optischen Signale auf jeder optischen Faser kann man noch die Kapazität der Lichtinformation erhöhen.

Ein weiteres (siebtes) Ziel der Erfindung besteht darin, eine spektrophotometrische Anordnung zu schaffen, in der man die Beziehung zwischen den Wellenlängen der Spektren mit einem Interferenzfilmfilter aufrecht erhalten kann, so daß man die Anzahl der kostspieligen Interferenzfilmfilter herabsetzen kann, die sonst verwendet werden müssen. Außerdem soll die Qualitätskontrolle des Interferenzfilmfilters erleichtert werden. Herabgesetzt werden sollen auch die Auswirkungen von Drift der Wellenlängen jedes Kanals auf die Genauigkeit der Messung, da die Drift jedes Kanals in der selben Richtung stattfindet, verändern sich nicht die Wellenlängenverhältnisse zwischen den Kanälen.

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Die Erfindung soll im folgenden an Hand von Zeichnungen im einzelnen erläutert werden» Es zeigt:

F I G . 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung,

F I G . 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, die zum Messen der Temperatur eines Düsentriebwerks eingesetzt wird,

F I G . 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, die zur Messung der Temperaturverteilung verwendet wird,

F I G . 4 und 5 Flußdiagramme zur Erläuterung der beim ersten Ausführungsbeispiel vorgenommenen Datenverarbeitung,

F I G . 6 eine graphische Darstellung, die den spektralen Emissionsgrad in Abhängigkeit von der effektiven Wellenlänge zeigt und zur Erläuterung der Dreifarbenspektrophotometrie nach der Erfindung dient,

F I G . 7 eine graphische Darstellung zur Angabe von Bereichen, die Meßwerte enthalten, die mit dem Dreifarbenspektrophotometrieverfahren nach der Erfindung erhältlich sind,

F I G . 8 eine graphische Darstellung, die den spektralen Emissionsgrad in Abhängigkeit von Wellenlängenabschnitten zeigt und zur Erläuterung eines M-Farbenspektrophotometfieverfahrens dient, das von der Dreifarbenspektrophotometrie Gebrauch macht,

F I G . 9 eine graphische Darstellung, die die Differenz zwischen den Meßwerten nach der Dreifarbenspektrophotometrie und denjenigen nach der präzisen oder genauen Dreifarbenspektrophotometrie zeigt,

FIG. 10 eine graphische Darstellung, die die Unterschiede der Drei- und Vierfarbenspektrophotometrieverfahren gegenüber dem herkömmlichen Zweifarbenspektrophotometrieverfahren aufzeigt,

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FIG. 11 und 12 ein viertes und ein fünftes Ausführung sb ei spiel der Erfindung in Form von Anordnungen zum Messen von spektralen Größen, :

FIG. 13 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer : nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, die in einem Farbfernsehgerät untergebracht ist, um Farbverzerrungen zu korrigieren, die bei einer unzulänglichen Beleuchtung entstehen,

F I G . 14 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, mit der ein Temperaturverteilungsbild, ein Kompensationsbild usw. der Probe wiedergegeben werden kann, und zwar unter Verwendung einer Einrichtung zum Aufzeichnen des spektralen Strahlungsflußbildes,

FIG . 15 eine graphische Darstellung des relativen spektralen Strahlungsaustrittsvermögens eines grauen KörperSi,

FIG. 16 eine graphische Darstellung des spektralen Emissionsgrades der Probe,

FIG. 17 eine graphische Darstellung über die Approxij mation des spektralen Emissionsgrades der Probe durch den Grau-Emissionsgrad,

FIG . 18 ein Flußdiagramm für eine arithmetische digitale Datenverarbeitung,

FIG . 19 ein Beispiel für eine arithmetische analoge Datenverarbeitung,

F I G . 20 eine graphische Darstellung der relativen spektralen Strahlungsintensität von Beleuchtungslicht und der relativen spektralen Strahlungsintensität eines schwarzen Körpers,

F I G . 21 eine graphische Darstellung des spektralen Faktors,

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ORIGINAL INSPECTED

F I G . 22 eine graphische Öarstellung zur Erläuterung des M-Färbspektrophotometrieverfahrens, das von der m-Farbspektrophotometrie nach der Erfindung Gebrauch macht,

F I G . 23 ein achtes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, die als Grundanordnung betrachtet wird,

F I G . 24 ein neuntes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, die zum Messen der Temperatur einer Beleuchtungsquelle von einem Thermopaar Gebrauch macht,

F I G . 25 ein zehntes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, die zur Bildmessung durch Strahlabtastung verwendet wird,

F I G . 26 eine schematische Schnittansicht eines elften Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung, und

FIG. 27 eine schematische Schnittansicht eines zwölften Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung,

F I G . 28 eine teilweise weggebrochene, perspektivische Ansicht eines dreizehnten Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung,

F I G . 29 eine teilweise weggebrochene, perspektivische Ansicht eines vierzehnten Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung,

FIG. 30 eine schematische Schnittansicht eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung,

F I G . 31 eine schematische perspektivische Ansicht eines sechzehnten Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung und

F I G . 32 eine schematische perspektivische Ansicht eines siebzehnten Ausführungsbeispiels einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung.

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Im folgenden sollen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert werden.

Zunächst soll die Erfindung in Verbindung mit einer Anwendung beschrieben werden, bei der zwei oder mehrere verschiedene Proben oder Strahler (beispielsweise Lichtquellen) als Meßobjekte vorhanden sind. Wenn zwei oder mehrere verschiedene Proben vorhanden sind, um so größer .ist die Zahl N und um so kleiner ist die Zahl K, so daß der Freiheitsgrad zum Ausdrücken des spektralen Faktors Jeder Probe geringer ist, und die Approximation an den spektralen Faktor weniger genau ist.

Nach der Erfindung wird jeder Probenstrahler durch einen grauen Körper angenähert oder approximiert, und die <■ Messung wird innerhalb eines Wellenlängenbereiches vorgenommen, in dem die Strahlungsgleichung nach Wien gilt, und es wird eine besondere Beziehung zwischen den Wellenlängen des einzelnen spektralen Kanals erstellt. Die erhaltenen spektralen Strahlungsflußintensitäten werden benutzt, um eine Gleichung zu lösen, die einen unbekannten Wert für die Temperatur enthält. Die erhaltene Temperatur und die gemessenen Werte werden herangezogen, um die Grau-Dichte bezüglich des spektralen Faktors zu gewinnen.

Wenn es erwünscht ist, die Farbe der Probe in Betracht zu ziehen, ohne irgendeine besondere Beziehung zwischen den einzelnen Kanälen effektiver Wellenlängen vorzusehen, werden⁴ gleichzeitig Gleichungen mit mehreren Unbekannten bezüglich der Temperatur und des spektralen Faktors gelöst, und zwar ■ durch numerische Berechnungen, wobei die erhaltene Temperatur und das spektrale-Faktor-Grauausmaß als Referenzwerte verwendet werden. Auf diese Weise gewinnt man sowohl die Temperatur als auch die spektralen Faktoren, die die Farbe der Probe angeben.

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Vor der Erläuterung eines ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung soll zunächst zum leichteren Verständnis dieser Ausführungsbeispiele das dort angewandte Meßverfahren beschrieben werden.

Als erfindungsgemäßes Meßverfahren kann man entweder ein Approximationsmeßverfahren oder ein Präzisionsmeßverfahren benutzen.

Beim Approximationsmeßverfahren, das auch N-Graukörper, 2N-Farben-Spektrophotometrieverfahren genannt wird, treffen die Strahlungsflüsse von N verschiedenen Strahlungsproben, beispielsweise von N Lichtquellen mit Temperaturen T^, Tp, .... Τ« und mit spektralen Faktorwerten 8^, £«» ··· £_N, als pin einziger Strahlungsfluß auf einem Meßgerät auf, und dieser einzige Strahlungsfluß wird in bezug auf die effektiven Wellenlängen spektral in 2N verschiedene Farben getrennt, indem man eine die Wellenlängen betreffende Beziehung so aufstellt, daß bezüglich aufeinanderfolgender effektiver Wellenlängen die folgende Gleichung stets erfüllt ist:

(konstant), (101)

wobei i = 1, 2, ....2N-1. Die spektralen Strahlungsflüsse werden in elektrische Werte X₁, X₂, .... X₂Ji umgesetzt. Wenn man das Strahlungsgesetz nach Wien zum Berechnen des spektralen Strahlungsaustritts oder der spektralen Ausstrahlung des perfekten schwarzen Körpers verwendet und den spektralen Gewinn jeder der effektiven Wellenlängen X j im Spektralanalysenprozeß und bei der elektrischen Umsetzung mit g<j, g₂, .... g_2N bezeichnet, ist der Erfassungswert X^ durch die folgende Beziehung gegeben:

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X₁ = Ji₁C₁X₁"⁵ 21 £_n exp ^f- (102)

wobei C₁ = 3,74150 χ 10~¹⁶ Wm², C₂ « 1,43879 x 10""² m*Grad,

i β 1, 2, 3 2N und T und £ die Temperatur bzw. der

spektrale Emissionsgrad der typischen Lichtquelle ist, sowie exp in dieser und allen übrigen Gleichungen Exponentialfunktion bzw. "e-Funktion von" bedeutet. -,

Die Substitution von Gleichungen ν

i β 1, 2, 3, .... 2N, und

U_n = exp
wobei η β 1, 2, .... N, in die Gleichung (102) ergibt:

_n = exp 22 \_{m (104)}

N —

wobei i ■ 1, 2, 3, .... 2N. , .

Die Gleichung (102A) zeigt auf, daß 8_n und U_n symmetrisch in bezug aufeinander sind, was bedeutet, daß man bei einer Vertauschung der Reihenfolge der N Lichtquellen das selbe mathematische Modell erhält. Somit sollte die Korrespondenz der Wurzeln, die man durch Lösen der Gleichung (102A) erhält, d.h. die Werte für die Temperatur und den spektralen Emissionsgrad, in geeigneter Weise zu den Lichtquellen bestimmt werden.

Durch Verwendung der Beziehung der Gleichung (101) für den Satz von irrationalen Gleichungen mit gleichzeitig 2N Unbekannten, wie durch die Gleichung (102A) ausgedrückt, kann man unter Verwendung noch zu beschreibender einfacher

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Gleichungen die Temperatur und den spektralen Emissionsgrad gewinnen.

Aus der Gleichung (101) ist der Anteil Z_n der Exponentialfunktion des Verhältnisses des spektralen Strahlungsflußaustritts der η-ten Lichtquelle bei Darstellung von N Lichtquellen in bezug auf die benachbarten Wellenlängen gleich:

-C2C
Z_n = exp —— (105)

Im Hinblick auf die Gleichung (102A) existieren die folgenden Gleichungen mit gleichzeitig N Unbekannten zum Gewinnen von Jedem ζ in der Gleichung (105):

SL A₁ Y ,
ki ^{k n+k} 1

N ⁼ ζ · - (106)

2tL A Y

_k"3^ k n-l+k

wobei A^ (k=1, 2, .... N) eine Funktion von ζ ist, und η β 1, 2, .... N.

Für N = 1, kann man die Gleichung (106) wie folgt schreiben:

^Y2

= 2 (106-1)

Somit kann man ζ direkt erhalten.

Für N ^ 2 erhält man die Gleichung (107) mit einer Determinanten vom (N + 1)ten Grad, und zwar durch Lösen der ersten N - 1 Beziehungen (n = 1, 2, .... N - 1) der Gleichung (106) in Form von (N - i)-dimensionalen gleichzeiti-

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gen Gleichungen mit

¹Ic

erntm»

(k = 2, 3, .... N) als Unbekannte,

durch Substituieren der Lösung in die letzte Beziehung der Gleichung (106), d.h. der Gleichung für η = N, und durch Umgruppieren des Ergebnisses unter Verwendung der Formel betreffend die Determinante:

N-I

N+l

N+l

N+2

^YN

^YN+1

Y Y

2N-1 ^Y2N

= O

(107)

Die Elemente in der ersten Zeile der Gleichung (107) ergeben ζ in der Gleichung (105), und zwar:

exp

-C₂C

(105-1)

Damit 1st nur noch allein die Temperatur T unbekannt. Y^ in den einzelnen Zeilen mit Ausnahme der ersten Zeile in der Determinante der linken Seite der Gleichung (107) wird bestimmt, indem man den Erfassungswert X^ gegeben durch die Gleichung (103) einsetzt. Durch das Einsetzen des Erfassungswertes X^ wird die Gleichung (107) bezüglich ζ auf eine einzige 1-dimensionale Gleichung vom N-ten Grad reduziert, die sehr leicht entweder auf analogem oder digitalem Wege gelöst werden kann, um den Wert von Z zu erhalten.

Die N Wurzeln der Gleichung (107) sind z^, Z₂, .... z_N, wie durch die Gleichung (105) ausgedrückt. Zum Lösen der Gleichung (107) wendet man bis zu N = 3 eine algebraische Lösung an, wohingegen man für N ^ 4 numerische Berechnungen vornimmt. Dies wird noch ersichtlich.

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Durch Substituieren der durch Lösen der Gleichung (107) gewonnenen Wurzel ζ in eine Gleichung

^Tn - J-f-^T - Γ-) (1O5A)

kann man die Temperatur T_n der η-ten Lichtquelle von N Lichtquellen erhalten, wobei η = 1, 2, .... N ist. Die Gleichung (105A) erhält man durch Transformation der Gleichung (105).

Die Substitution des in obiger Weise gewonnenen T in die Gleichung (104) gestattet die Gewinnung von U . Die Substitution von U in N Gleichungen, die in geeigneter Weise aus der Gleichung (102A) abgeleitet sind, ergibt den folgenden Satz von N-dimensionalen gleichzeitigen

Gleichungen vom ersten Grad mit O_n (n = 1, 2 N) als

unbekannter Größe:

N	E	1	= Y.
		U Xi	1
n-1	η η

(108)

wobei U die Zahlenwerte sind, die man auf dem oben beschriebenen Wege erhalten hat.

Somit kann man die Gleichung (108) nach der Methode von Cramer lösen, und £ kann man in Form der folgenden Gleichung erhalten:

ID.

wobei, wenn man beispielsweise N Gleichungen in der Selektion der Gleichung (108) aus der Gleichung (102A) ableitet, J DqI die Kombination aus (λ.₁>Λ2> · · · * ^. ^) und (Y₁, Y₂, Y_n) ist, nämlich

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U₁

λι

υ/2 -

U/N

(110)

und j D_n I ist das Ergebnis der Substitution von Y«j, Υ« der η-ten Spalte in I D_QJ, nämlich

υ,

υ₂ ^λι --

■- Y

ι.

•V²

-- ^YN

... (111)

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Es folgt jetzt eine Beschreibung des Messens der Temperatur und des spektralen Emissionsgrads "bei spektraler Trennung der Strahlungsflüsse von drei Graukörper-Lichtquellen in sechs Farben mit einer Spektrophotometrieanordnung, die der Bedingung der Gleichung (101) genügt.

Aus dem elektrischen Erfassungswert X^. für jeden spektralen Strahlungsfluß werden unter Anwendung der Gleichung (103) die effektive Wellenlänge λ_±, der spektrale Gewinn g₁ und C₁, Y₁ (i = 1, 2, 6) für jede effektive Wellenlänge gewonnen.

Selbst in diesem Fall gilt die Gleichung (107), da die spektrophotometrlsche Anordnung so ausgelegt ist, daß sie die Bedingung der Gleichung (101) erfüllt und in der Gleichung (107) N = 3 gesetzt ist. Eine Erweiterung der linken Seite der Gleichung (107) liefert:

Pz³ + Qz² + Rz + S » 0 (112),

wobei die Koeffizienten jedes Terms wie folgt lauten:

^{p =} V₄(Y₃Y₅ - Y₄ ²) + Y=(Y₀Ya - YoY_c) + ν (ν ν - ν ²)

^{435 4} Ö34 2 5^{; + Χ}6^^Υ2^γ4 ^Y3 ' (H₃) ;

Q - -V₁(V₄V₆ - V₅ ²) - V₂(V₄V₅ - V₅V₆) - V₃(V₃V₅ - V₄ ², ... (H4) ' ^R - ^Y4(^Y ₂ ^Y4 - V₃ ²) ♦ V₅(V₂V, - YV₄) _{+ Y}rv ν _ γ 2, ....

lV ⁺ V^Y1^Y3

- V^Y3^Y4 -

Die Gleichung (112) ist eine Gleichung dritten Grades, so daß man aus ihr unter Anwendung der Formel oder der Formeln nach Cardano drei Wurzeln gewinnen kann. Aus diesen Wurzeln und der Gleichung (105) kann man den gemessenen Wert der Temperatur erhalten.

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Aus der gemessenen Temperatur kann man unter Verwendung der Gleichung (104) U₁ (i = 1, 2, .... 6) gewinnen, und den gemessenen Wert des spektralen Emissionsgrads erhält man unter Verwendung der Gleichung (109).

Während bei der oben erläuterten Beschreibung angenommen wurde, daß die Gleichung (106) zum Entwickeln der Gleichung (107) gilt, soll dargelegt werden, daß die Gleichung (106) tatsächlich gilt.

Aus der Gleichung (102A) erhält man eine Gleichung:

H₁U₁Xi ₊ g_au/i + £₃u₃*i -Y₁ (117)

wobei i = 1, 2, .... 6.

Indem man die Wurzeln ^₁, 8"₂ und £,» ^{die man} dadurch erhält, daß die durch die Beziehungen der Gleichung (117) dargestellten 3-dimensionalen gleichzeitigen Gleichungen ersten Grades für i = 1, 2 und 3 im Hinblick auf t^, C₂ und<$3 gelöst werden, gleich den Wurzeln £.j, d₂ u*¹** £3 setzt, die man dadurch erhält, daß die durch die Beziehungen der Gleichung (117) dargestellten 3-dimensionalen gleichzeitigen Gleichungen ersten Grads für i = 2, 3 und 4 im Hinblick auf ^₁, 6₂ ^υηά· 6 3 gelöst werden, kann man beispielsweise durch Gleichsetzen der Wurzeln S^ die folgende Gleichung erhalten:

^Yl - ^Y ₂(^Z2 ^{+ 2}3> ^{+ Y}3^Z2^Z3

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1 NACHöEREIOKPf J ' ν 0 W

In ähnlicher Weise kann man die WUrZeIC₁ von den Wurzeln £.,, £₂ und6,, die man dadurch erhält, daß die Beziehungen der Gleichung (117) für i = 2, 3 und 4 in Form von 3-dimensional,en gleichzeitigen Gleichungen ersten Grads für ^₁, &₂ und 6, gelöst werden, gleich der Wurzel ζ ₁ von den Wurzeln 6^t₂ und £, setzt, die man dadurch erhält, daß die Beziehungen der Gleichung (117) für i = 3, 4 und 5 in Form 3-dimensionaler gleichzeitiger Gleichungen ersten Grads für 6 ^, t^ und C-z gelöst werden, ergibt sich die folgende Gleichung:

1 ^Y3 - ^Y4^(Z2 ^{+ Z}3^{} + Y}5^Z2²3

^Zl ^{= Y}2 - V^Z2 ^{+ Z}3^{} + Y}4^Z2^Z3

Wenn man in ähnlicher Weise die Wurzel^^ von den Wurzeln^ -1, 6? ^und ^3» ^{die man} ^¹"⁰¹¹ Lösen der Beziehung der Gleichung (117) für i = 3, 4 und 5 gewinnt, gleich der Wurzel C * von den Wurzeln t *, £p ^u*id&,, setzt, die man durch Lösen der Beziehungen der Gleichung (117) für i = 4, 5 und 6 in Form 3-dimensionaler gleichzeitiger Gleichungen ersten Grades für ζ^, t~ und £■, löst, ergibt sich die folgende Gleichung:

J_ ^Y4 - ^Y5⁽²2 ^{+ 2}3> ^{+ Y}6^Z2²3 (120-f,)

²I " ^Y5 - ^Y4^(Z2 ^{+ Z}3^{} + Y}5^Z2^Z3 ^

Aus den Gleichungen (118-^₁, 119-^₁ und 120-^) erkennt man, daß man Z₂ und z, als Funktionen von Z₁ ausdrücken kann. Wenn man die Funktionen von Z₁ mit A₂ZA₁ und A^M₁ bezeichnet, erhält man:

-(Z_{2 +} Z₃) = JL ₍₁₂₁)

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OPJGlMAL INSPECTED

Durch Substituieren der Gleichungen (121) und (122) in die Gleichungen (118-E₁, 119-2-, und 120-£,) und durch Umgruppieren ergibt sich:

₂₁₃
Y₁A₁₊Y₂A₂₊Y₃A₃ - Y₂A₁₊Y₃A₂₊Y₄A₃ - Y₃A₁₊Y₄A₂₊Y₅A₃ Z₁

Da die Gleichung (117) eine symmetrische Gleichung ist, erhält man auch für Z₂ und z, dieselbe Form von Gleichungen wie die Form der Gleichung (123). Wurzeln, die denselben Wert darstellen, kann man gewinnen, indem man für irgendeine der Größen Z₁, z, und z, löst. Die Gleichung (123) stellt den Fall dar, bei dem k und η in der Gleichung (106) gleich 1, 2 und 3 sind.

Wie es in Verbindung mit der Ableitung der Gleichungen (118-£.., 119-£-| und 120-^) beschrieben worden ist, kann man ζ j, £₂ ^υη<* £3 durch Verwendung irgendeiner Kombination von Kombinationen berechnen, die drei Werte von η = 1, 2, .... 6 enthält.

Während im obigen Fall die Gleichung (112) zum Gewinnen ν, von ζ unter der Annahme entwickelt worden ist, daß die Gleichung (107) gilt, ist es möglich, ζ auch ohne die Annahme der Gültigkeit der Gleichung (107) zu gewinnen.

Indem man die Wurzel ₂ ^{von den} Wurzeln £.,, £₂ und 6^, die durch Lösen der Beziehungen der Gleichung (117) für i « 1, 2 und 3 in Form 3-dimensionaler gleichzeitiger Gleichungen ersten Grads im Hinblick, auf £^, £p ^d ^3 erhalten werden, gleich der Wurzel 6₂ ^{von den} Wurzeln 6.., Jf₂ und ^^-^ setzt, die durch Lösen der Beziehungen der Gleichung (117) für i β 2, 3 und 4 in Form 3-dimensionaler gleichzeitiger Gleichungen ersten Grads im Hinblick auf £ ^,. 6₂ und (j, erhalten werden, ergibt sich die folgende Gleichung:

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~³³~ 3031953

V₂ -V₃^₃ ^{+ Z}l> * ^Y4^Z3^Z1 "(_184€,

^Z2 " ^Yl - ^Y2^(Z3 ^{+ Z}l^{} + Y}3^Z3^Z1 ²

Wenn man die Wurzel C^₂ von den Wurzeln έ^, £₂ ^ die durch Lösen der Beziehungen der Gleichung (117) für i ss 3, 4 und 5 in Form 3-dimensionaler gleichzeitiger Gleichungen ersten Grads im Hinblick auf £^, f^'undf* er halten werden, gleich der Wurzel &₂ von den Wurzeln^, tp und£·* setzt, die durch Lösen der Beziehungen der Glei chung (117) für i ss 3, 4 und 5 in Form 3-dimensionaler gleichzeitiger Gleichungen ersten Grads im Hinblick auf ^₁, £₂ und £_·* erhalten werden, ergibt sich die folgende · Gleichung:

, Y. - Y_e(z„ + Z₁ ) + Y_fiz z,
J: ± 5l_3 1 (125-£_)

^Z2 " ^Y3 - ^Y4^(Z3 ^{+ Z}l^{] + Y}5^Z3^Z1 ²

Wenn man die Gleichungen (124-<?₂ und 125-£₂) gleichsetzt, um z₂ zu eliminieren, und eine Umgruppierung vornimmt, ergibt sich:

^A1^Z3^{2 + A}2^Z3 ^{+ A}3 ⁼ ° . (126)

wobei die Koeffizienten jedes Termes wie folgt lauten:

^Al -

^A2 - ⁽-

^A3 -

Gleichermaßen wie bei dem Verfahren zum Entwickeln der Gleichung (126) durch Gleichsetzen der Gleichungen (124-&2 und 125-£₂), die man durch Eliminieren von£₂ erhält, kann man entsprechende nicht angegebene Gleichungen ■(124-^2 und 125-S^) durch Eliminieren von(f, erhalten, die Gleichungen gleichsetzen und eine Umgruppierung vornehmen. Auf diese Weise erhält man Beziehungen, die Z₁ und Z₂ be-

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treffen. Diese Gleichung erhält man, indem man z„ für z, in der Gleichung (126) substituiert. Dies ist die natürliche Konsequenz der Tatsache, daß die Gleichung (117) in bezug auf Up und U, eine symmetrische Gleichung ist. Die Wurzeln der Gleichung (126) gelöst für z, sind somit Z₂ und z·,.

Die durch die Gleichungen (127), (128) und (129) dargestellten Größen A₁, A₂ und A-, sind Funktionen von Z₁, während die Beziehungen der Wurzeln und Koeffizienten der Gleichung (126) ausbedingen, daß A^, A₂ und A₃ mit den Größen A₁, A₂ und A, der Gleichungen (121) und (122) übereinstimmen. Somit kann man Z₁, Z₂ und z, auch ohne Rückgriff auf die Gleichung (107) erhalten.

Während sich die bisherige Beschreibung mit dem Verfahren zum Messen der Temperatur und des spektralen Emissionsgrads unter der Annahme befaßt, daß die Proben oder Strahler graue Körper sind, d.h._r eine N-Graukörper, 2N-Farben-Spektrophotometrie ausgeführt wird, soll jetzt das auf Vielfachfarbenanalyse beruhende Prazisionsmeßverfahren beschrieben werden, bei dem die nach dem oben erläuterten Verfahren gewonnenen Meßwerte als Approximationswerte oder Anfangswerte verwendet werden, mit denen eine Präzisionsmessung vorgenommen wird. Bei der genauen Meßmethode oder dem Präzisionsmeßverfahren, das auf einer Vielfachfarbenspektralanalyse beruht, werden die von N verschiedenen Strahlern stammenden Strahlungsflüsse, die als ein einziger Strahlungsfluß empfangen werden, in bezug auf effektive Wellenlängen für M (M = 2N) verschiedene Farben spektral getrennt oder aufgeteilt. Von diesen effektiven Wellenlängen werden die Kanäle für diejenigen von 2N Farben unter der Annahme gemacht, daß dieselbe effektive Wellenlängenbedingung wie bei der N-Graukörper, 2N-Farben-Spektrophotometrie gilt, d.h. die Bedingung der Gleichung. (101).

Die Temperatur und der spektrale Emissionsgrad der η-ten Probe von N verschiedenen Proben oder Strahlern (bei-

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spielsweise Lichtquellen) werden mit T_n und ^_n bezeichnet, und es wird angenommen, daß £ als Polynom vom K^-ten Grad betreffend die Wellenlänge λ. ausgedrückt ist, nämlich

Kn Λ
^" So^A"^k · ⁽¹³⁰⁾

wobei n=1, 2, ....N, und A- ein von λ unabhängiger unbekannter Faktor ist, und die effektive Wellenlänge λ eine Variable ist und die Werte ^₁, ?U>, ···· λ™ annehmen kann.

Die Spektrophotometrieanordnung ist so ausgelegt, daß die Anzahl M der Kanäle wie folgt gegeben ist:

M = Σ. K ₊ 2N ' _(13JL)

nl

Die jeweiligen spektralen Strahlungsflüsse werden in entsprechende elektrische Werte X. (j = 1, 2, .... M) umgesetzt.

Von den Erfassungswerten X. (j = 1, 2, .... M), die man für die betreffenden effektiven Wellenlängen für 2N Farben erhält, entspricht das Zählen von kleineren tiefgestellten Zahlen i (i = 1, 2, .... N) kürzeren Wellenlängen. Die Temperaturwerte T₁, T₂, .... T_n und die spektralen Emissionsgradwerte t ^, £₂, ....£„ der N-Lichtquellen (Proben) erhält man unter Verwendung der oben erläuterten N-Graukörper-2N-Farben-Spektrophotometrie, und diese Werte werden als Approximationswerte t^, tp, .... t für die Temperaturen T^, T₂, .... T_n und als Approximationswerte

^a1O' ^a20' *^{#>i a}NÖ ^^{r un}^^ekann'^fce Koeffizienten A-jq, .... A_Nq von Termen vom O-ten Grad der Wellenlängen X entsprechend den spektralen Emissionsgradwertent ^ , £ verwendet.

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Die angenäherten oder Approximationswerte a,..j, a₁₂, der M-2N verbliebenen unbekannten Koeffizienten

A₁₁, A₁₂, .... Aj_1x unter A^ in dem spektralen Emissionsgrad werden erhalten durch Substituieren der oben erwähnten Werte t^, t₂, .... t_n und a_1Q, a₂₀, .... a_NQ für T_n und A~ in £ in den folgenden Gleichungen unter Verwendung des elektrischen Erfassungswertes X₄

^exp χΤΓ

(wobei gj der spektrale Gewinn bei der effektiven Wellenlänge \j. ist, j = 1, 2, .... M, und C₁ und C₂ haben dieselben Werte wie bei der Gleichung (102)) für 3 = 2N + 1 bis 3 « M und Lösen der folgenden (M - 2N)-dimensionalen gleichzeitigen Gleichungen ersten Grads mit M - 2N unbekannten Koeffizienten als unbekanntes a^ (k = 1):

i Ca_n0 * _k| *_nkA ) gi ... U33>

exp —- -. χ ^Aj η .

wobei J - 2N + 1, 2N + 2, .... M.

Auf diese Weise werden die Anfangswerte, d.h. Approximationswerte , t_n und a_nk für die unbekannten T_n (n = 1, 2, .... N) und die unbekannten Koeffizienten A_n^ (n = 1, 2,

.... N; k = 0, 1, 2 K_n) betreff end £ in der Gleichung (132) für die iterativen Konvergenzberechnungen mit den erfaßten Werten X.. und den theoretischen Werten x^ erhalten.

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In den iterativen Konvergenzberechnungen wird eine Gleichung

(x. - X₁U,⁵ N ^kn

—^J ·=*— ^sL- = Σ (ε

(wobei 3=1,2, .... M) mit dem InkrementΛ t und Δ slals die Unbekannten gelöst, um neue approximierte gemessene Werte zu erhalten, d.h. approximierte gemessene Werte t^, tp, .... t der Temperatur und approximierte gemessene Werte a^₀, a₂₀, ···· ^auo' ^a11» ^a21' ·"* ^aNK * ^"ⁿ Gleichung (13^·) ist x. gegeben als:

° n=l ^p k-n ^nK J exp —I χ ^k-°

^Aj η
(wobei j = 1, 2, .... M), Ξ . ist gegeben als:

exp —-£

L ^' ⁽¹³⁶⁾

(wobei j = 1, 2, .... M; η = 1, 2, .... N), und F^ ist gegeben als:

^Fnjk

^exp

(wobei j=1, 2, .... M; η = 1, 2, .... N; k = 1, 2, ...

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Die Gleichung (134), die einen Satz von M-dimensionalen gleichzeitigen Gleichungen ersten Grads darstellt, wird für Berechnungen mit den theoretischen Werten x. und den Differentialfaktoren von X. gegenüber jeder Unbekannten (a^, _: t_n)verwendet, bis neue Werte x.. zu den Erfassungswerten X. konvergieren, und die InkrementeΔt und Aa_n^, die man ^! durch Lösen dieser Gleichung erhält, werden zum Berechnen von revidierten Werten unter Verwendung der folgenden Gleichungen benutzt:

t - t + At ' (138)

η η η
^ank ■ ^ank ⁺*^ank ⁽¹³⁹⁾

In den Gleichungen (138) und (139) sind t und auf der rechten Seite Werte, die vor der Ausführung von Berechnungen mit den Gleichungen (138) und (139) existieren, und t_n und a^ auf der rechten Seite sind Werte, die das Ergebnis der Berechnungen darstellen. Wenn die theoretischen Werte x., die man durch Substituieren von t und Et_nJj. auf der linken Seite in die Gleichung (135) erhält, bis zu vorbestimmten Werten in bezug auf X. konvergieren, werden t_n und a^ auf der linken Seite der Gleichungen (138) und (139) als gemessene Werte T_n und A_n^. in £ benutzt. Der gemessene Werts kann man von diesen A^ erhalten.

Wenn die oben erwähnten theoretischen Werte x.. auf vorbestimmte Werte bezüglich X. nicht konvergieren, werden t_n und a^ auf der linken Seite der Gleichungen (138) und (139) in die Gleichung (134) substituiert, um neue Inkremente Δ t_n und Aa_nJ₅. zu erhalten. Neue Approximationswerte erhält man unter Verwendung der Gleichungen (138) und (139). Dieser Vorgang wird wiederholt, bis eine Konvergenz erzielt wird. Auf diese Weise gestattet die Präzisionsmessung auf der Grundlage der Viel-Farben-Spektrophotometrie eine genaue Messung der Temperatur und des spektralen Emissionsgrads der Probe, selbst wenn die Proben farbige Körper sind.

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Wenn die effektiven Wellenlängen der Filter in der Beziehung der Gleichung (101) sind, das Strahlungsgesetz nach Wien zur Approximation gilt und die Probe ein grauer Körper ist, gilt die Gleichung (102A), und die Gleichung (107) liefert N genaue Wurzeln. Durch Verändern des Wertes von ζ in der Gleichung (107) erscheinen Maxima und Minima zwischen benachbarten Wurzeln als Wert der linken Seite der Gleichung (107), und die Werte von ζ bei diesen Maxima und Minima sind durch die oben erwähnte Approximation oder Bauelementfehler bezüglich der effektiven Wellenlängen der Filter nicht nachteilig beeinträchtigt. Auf diese Weise ist es möglich, den Wert von ζ zu verwenden, der Maxima und Minima des Wertes der linken Seite der Gleichung (107) als Approximationswert in der Präzisionsmeßmethode liefert.

Durch die oben erwähnte Meßmethode kann man die Messung der Temperatur und des spektralen Emissionsgrades einer Vielzahl von Proben vornehmen, und zwar durch Empfang der Strahlungsflüsse der Probe in Form eines einzigen Strahlungsflusses ohne irgendeine Angabe der physikalischen Unterschiede zwischen den zahlreichen Proben. Auf diese Weise ist es möglich, Beschränkungen zu vermeiden, denen herkömmliche Meßanordnungen bei der Messung der Temperatur usw. einer Vielzahl von Proben unterliegen, bei denen es sich um Temperaturstrahler handelt, beispielsweise Beschränkungen für Filter, die zum Erfassen der Flamme in besonderen Beziehungen zu der Brennerflamme in einem Ofen stehen, und auch Beschränkungen, denen die Installation einer Meßanordnung an einer Position frei vom Einfluß des Strahlungsflusses von der Brennerkammer für die Messung der Temperatur der Vorderkante der Turbinenschaufel von der ersten Stufe in einem Strahltriebwerk unterliegt. Weiterhin wird weniger Rechenkapazität benötigt, wenn man die effektiven Wellenlängen der analysierten Kanäle unter Beachtung der oben erwähnten Bedingungen auswählt. Während

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die Messung sich mit hoher Geschwindigkeit bewegender Gegenstände und Bilder, bei denen es notwendig ist, eine große Anzahl erfaßter Werte zu verarbeiten, eine Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung benötigt, läßt das Approximationsmeßverfahren eine beachtliche Genauigkeit erwarten, so daß die Anwendung dieser Meßmethode auf sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Körper oder dgl. innerhalb gewisser Grenzen eine große Genauigkeitserhöhung bringt. .

Weiterhin unterliegt der spektrale Emissionsgrad keiner besonderen Bedingung. Das bedeutet, daß selbst eine Probe, deren spektraler Emissionsgrad eine momentane Änderung erfährt, beispielsweise Stahl in einem Warmbandwalzwerk, bezüglich der Temperatur kontinuierlich gemessen werden kann.

Weiterhin ist das erfindungsgemäße Meßverfahren eine passive Methode, so daß es möglich ist, die Temperaturmessung von einem Rotor zu erhalten, eine nicht zerstörende Messung auszuführen usw.

Ferner kann das erfindungsgemäße Meßverfahren auf die Analyse der Zusammensetzung der Probe angewendet werden, indem man den spektralen Emissionsgrad, den man bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens erhält, und bekannte Daten korreliert.

Im folgenden soll die Tatsache erläutert werden, daß man das oben erläuterte Meßverfahren auch zum Messen des spektralen Reflexionsgrades und Transmissionsgrades verwenden kann.

Es wird eine Situation betrachtet, bei der der Strahlungsfluß von einer Probe, beispielsweise einer Lichtquelle, mit einem spektralen Emissionsgrad £, durch ein Medium mit

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einem spektralen Transmissionsgrad f, voranschreitet und von einer Probe mit einem spektralen Reflexionsgrad (einschließlich geometrischer Effekte) reflektiert wird sowie von einer Meßanordnung erfaßt wird.

Unter der Annahme, daß das Strahlungsgesetz nach Planck zum Berechnen der spektralen Strahlungsflußdivergenz eines schwarzen Körpers verwendet wird, läßt sich der erfaßte Wert X durch die folgende Gleichung beschreiben:

Ä?r

(140)

obei T die Temperatur der Lichtquelle, λ.die effektive Wellenlänge des Filters der Meßanordnung und g der spektrale Gewinn ist. Es wird hier ein äquivalenter Reflexionsgrad eingeführt:

^rE -

Durch Verwendung von r_E kann· man die Gleichung (140) wie folgt schreiben:

-5 .

_(140A)

exp -§ - 1

Durch Substituieren von g = g., \. = λ... und T = T_ in die Gleichung (140A) und durch Vergleichen der resultierenden Gleichung mit der Gleichung (132) wird nachgewiesen, daß die Gleichung (14OA) eine Beziehung der gleichen Art wie die Beziehung darstellt, die man erhält, indem man<f" der η-ten Lichtquelle in der Gleichung (132) in r_E substituiert. Auf diese Weise kann man den spektralen Reflexionsgrad unter Verwendung der oben beschriebenen Meßmethode messen.

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Wenn man den spektralen Transmissionsgrad f (einschließlich der Effekte durch die geometrische Gestalt) anstelle des spektralen Reflexionsgrades 9 (einschließlich der Effekte durch die geometrische Gestalt) der Probe bei der Messung des spektralen Reflexionsgrades verwendet und voraussetzt, daß die anderen Parameter die gleichen wie im Falle der Messung des spektralen Reflexionsgrades sind, erhält man "für den gemesenen Wert X der durchgelassenen oder transmittierten Strahlung die folgende Gleichung:

X « Af^C₁C₁XT⁵ i- (142 )

exp ^ - 1 ·

Hier kann man einen äquivalenten Transmissionsgrad einführen:

Unter Verwendung von fg kann man die Gleichung (142) wie folgt schreiben:

X = Sf¹EC₁JL"

(142A)

Ein Vergleich der Gleichungen (142A) und (132) zeigt, daß die Gleichung (142A) eine Beziehung von derselben Art darstellt, wie man sie erhält, wenn man £ der η-ten Lichtquelle ausgedrückt durch die Gleichung (132) in f„ substituiert. Auf diese Weise kann man den· spektralen Transmissionsgrad unter Verwendung der oben erläuterten Meßmethode messen.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Meßanord nung unter Verwendung der oben erläuterten Meßmethode beschrieben werden.

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Es wird somit eine Meßanordnung zum Ausführen des oben erläuterten Meßverfahrens nachstehend beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt ein. erstes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Meßanordnung. Die Meßanordnung 1 enthält ein spektrophotometrisches System, das Strahlungsflüsse von N verschiedenen Proben 2 enthält, die unter thermischer Strahlung sind. In der Fig. 1 sind lediglich eine erste Lichtquelle 2* aus einem perfekten schwarzen Körper 2_1a und einem Film 2^, eine zweite Lichtquelle 2p aus einem perfekten schwarzen Körper 2_2a und einem Film ²2b ^{und eine n}~*^e Lichtquelle 2_n aus einem perfekten schwarzen Körper 2 und einem Film 2 , dargestellt, d.h., die dritte bis (n - 1)-te Lichtquelle sind nicht dargestellt. Die Strahlungsflüsse der verschiedenen Lichtquellen werden in Form eines einzigen oder zusammengesetzten Strahlungsflusses empfangen. Ferner ist ein Monochromator 3 für vorbestimmte effektive Wellenlängen vorgesehen. Ein Wandler 4 dient zur Umsetzung des die Spektren des Strahlungsflusses darstellenden Ausgangssignals des Monochromators 3 in entsprechende elektrische Werte. Ferner ist ein Rechner 5 mit einem Speicher zum Speichern effektiver Wellenlängen, spektraler Gewinne bei den effektiven Wellenlängen und von Konstanten C₁ = 3,74150 χ 1O~¹⁶ W*m² und C₂ - 1,43879 x 10~² m«Grad vorgesehen. Ein Rechner dient noch zum Berechnen der Temperatur und des spektralen Faktors oder der alleinigen Temperatur, wie es zuvor in Verbindung mit der Erläuterung des Meßverfahrens beschrieben wurde.

Der Monochromator 3 enthält einen Schalter 3c Wenn es beabsichtigt ist, Präzisions- oder Approximationsmeßwerte der Temperatur und des spektralen Faktors der N Strahler 2 zu erhalten, beispielsweise der oben erwähnten Lichtquellen 2^, 2₂, .... 2_N, wird der Schalter 3c aufeinanderfolgend betätigt, um schmalbandige Bandpaßfilter 3a in den Strahlengang zu bringen. Falls 2N Farben, beispielsweise effektive Wellenlängen von Filtern (wobei die theoretisch transmittier-

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te Energie der Gesamtenergie im Wellenlängenband äquivalent ist, auf — —■ = c (i m 1,-2, .... 2N -1) ge-

λί λΐ + 1
setzt sind und wenn es beabsichtigt ist, eine präzise oder genaue Messung der Temperatur und des spektralen Faktors der N Strahler 2 zu erhalten, wird der Schalter aufeinanderfolgend betätigt, um M (M ^= 2N) verschiedene schmalbandige Bandpaßfilter mit den betreffenden effektiven Wellenlängen einzuschalten, die so eingestellt sind, 1 1

daß sie ' ■ ■ ' - c in bezug auf die effektiven Wellen-

λ-i Ai + 1

längen für zwei N unter den M verschiedenen Farben genügen, gleichermaßen wie beim Erhalten der Approsimationsmeßwerte.

Die Wandler- oder Umsetzereinrichtung 4 enthält beispielsweise einen photoelektrischen Wandler 4a zum Umwandeln des spektralen Strahlungsflusses in analoge elektrische Signale sowie einen Analog/Digital-Umsetzer 4b zum Umsetzen der gewonnenen analogen Werte in digitale Werte (erfaßte Werte).

Wenn es beabsichtigt ist, die Messung oder die Approximationswerte der Temperatur und des spektralen Faktors von N verschiedenen Proben zu erhalten,- beispielsweise von den oben erwähnten Lichtquellen 2^, 22» .... 2_N, ist der Rechner 5 so ausgelegt, daß er die Temperatur und den spek-. tralen Faktor der N Proben gemäß der folgenden Formel ermittelt:

N -i-

T ί ι/ λ· _ γ-_n=1 η η ^x - ^ri ... (1O2A)

und zwar unter Verwendung erfaßter Werte, die aus dem Speicher ausgelesen werden. Dabei sind T und £ die Temperatur und der spektrale Faktor der η-ten Probe von den N thermischen Strahlern, die als Graukörper betrachtet werden, und

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υ = exp ^:~ , Y^ = τττΛ-) · ^{Wenn es} beabsichtigt ist, eine ⁿ 'n ^x %°ι

Präzisionsmessung der Temperatur und des spektralen FaK-tors der N Proben 2 zu erhalten, enthält der Rechner ferner Einrichtungen zum iterativen Korrigieren der Werte, die die Temperatur und den spektralen Faktor der N thermischen Strahler darstellen, indem die in obiger Weise erhaltenen Werte als Anfangswerte benutzt werden und indem überprüft wird, ob theoretische Werte in Richtung auf die elektrischen erfaßten Werte konvergieren, bis die Differenz zwischen dem theoretischen Wert und dem elektrischen Digitalwert auf einen vorbestimmten Wert konvergiert.

Die Arbeitsweise der Meßanordnung 1 soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 an Hand von Datenverarbeitungsflußdiagrammen erläutert werden. Zur Datenverarbeitung gemäß den Fig. 4 und 5 wird die Gleichung (107) als ein konkreter Fall zum Erhalten der Meßwerte benutzt.

Zunächst soll auf die Fig. 4 Bezug genommen werden. Der von N verschiedenen Lichtquellen 2 (d.h. von Strahlern) kommende Strahlungsfluß 85 wird im Monochromator 3 bezüglich effektiver Wellenlängen^, /I₂, .... A_M 30 für M verschiedene Farben spektral getrennt oder aufgeteilt. Die Spektren 30 werden von der Umsetzereinrichtung 4 in elektrische Digitalsignale (erfaßte Werte) X₁, X₂, .... X_M 45 umgesetzt.

Die erfaßten Werte X₁, X₂, .... X_M 45 werden in einem Speicher 51 gespeichert. In der Zwischenzeit werden Y₁, Y₂, .... Y_2n 55 in einem Rechenschritt 54 im Rechner 5 gewonnen, und zwar unter Verwendung der erfaßten Werte X₁, X₂, .... 45 und der aus einem Speicher 52 ausgelesenen Werte C₁, g. und?i£ 53 (i = 1, 2, .... 2N). Im Speicher 52 sind C₁, C₂, g_i und λ^ gespeichert (diese Werte sind bei der Herstellung eingespeichert worden).

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Die Werte Y_± 55 (i = 1, 2, 2N) werden in einem

Schritt 56 als Elemente in die Gleichung (107) gesetzt.

Dann wird in einem Schritt 57 die 1-dimensionale Gleichung (107) vom N-ten Grad gelöst, um N verschiedene Werte von ζ 58 zu erhalten.

Bei der Ausführung eines Schritts 60 werden dann die Temperaturwerte T₁, T2, .... T^ 61 erhalten, und zwar durch Substituieren der Werte von ζ 58 und der aus dem Speicher 52 ausgelesenen Werte C₂, X₁ und λ.« 59 in die Gleichung (1O5A). Diese Temperaturwerte werden als die gemessenen Werte der Temperatur der N Lichtquellen 2 ausgegeben oder in einem Speicher 62 gespeichert.

Als nächstes werden in einem Schritt 64 die Werte U₁, Up, .... Uj₁T 65 erhalten, und zwar durch Substituieren der gemessenen Temperaturwerte T₁, T₂, «... T^ 61 und des aus dem Speicher 52 ausgelesenen Wertes C₂ 63 in die Gleichung (104).

Dann gewinnt man aus diesen Werten für U. 65 (i = 1, 2, .... N) und aus 7[_± (i = 1, 2, .... N) die Größe

U_i Λ-ρ und weiterhin werden bei einem Schritt 67 unter

Verwendung der Werte von ^Λ. die N dimensionalen gleichzeitigen Gleichungen (102A) ersten Grades durch die Gleichung (109) gelöst, um die Werte des spektralen Emissionsgrades (^₁, £₂, .... £_N 68 zu erhalten. Die auf diese Weise gewonnenen Werte werden ausgegeben oder in einem Speicher 69 gespeichert, und zwar als spektraler Emissionsgrad der N verschiedenen Lichtquellen 2.

Die bisher an Hand des Flußdiagramms nach der Fig. 4 beschriebene Datenverarbeitung zur Bestimmung der Temperatur und des spektralen Emissionsgrades von N verschiedenen Strahlern beruht auf der oben erläuterten N Graukörper,

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2N-Farben-Spektrophotometrie. Um die Temperatur und den spektralen Emissionsgrad der Strahler genau oder präzise zu bestimmen, ist es notwendig, iterative Berechnungen auszuführen, und zwar mit Anfangswerten, für die die in obiger Weise gewonnenen Meßwerte benutzt werden. Dies soll im folgenden beschrieben werden.

Bei einem ersten Schritt 70 im Datenverarbeitungsflußdiagramm nach der Fig. 5 werden die nach der Fig. 4 erfaßten Werte 51, die nach der Fig. 4 gemessenen Werte der Temperatur T₁, T₂, .·♦· T_n und die nach der Fig. 4 gemessenen Werte des spektralen Emissionsgrads €₁, £₂, ••••έτντ ^a^-^s erfaßte Werte X. (j = 1, 2, .... M), als Temperaturappro-

ximationswerte t*, tp, .... t„ und als Spektralfaktorapproximationswerte a₁₀, a₂₀, .... a_N0 verwendet.

Bei einem Schritt 73 wird die bereits erläuterte Gleichung (133) gelöst, und zwar unter Verwendung der Approximationsmeßwerte t,., t₂, .... t^, der Werte a₁₀, a₂₀, .... a_N0 und der erfaßten Werte X. sowie unter Verwendung von Werten, die aus einem Speicher 71 ausgelesen werden, nämlich unter Verwendung von Werten der effektiven Wellenlänge \. und des spektralen Gewinns g. (j = 2N + 1, 2N + 2, .... M) und Konstanten C₁ und C₂ 72. Somit sind in dem Speicher 71 Werte von g., Λ.^ (θ = 1» 2, .... M) und die Konstanten C₁ und C₂ gespeichert. Auf diese Weise erhält man andere Anfangswerte a_11? &₂1» ···· ^amr 74.

Diese Anfangswerte t₁, t₂, .... t_N und a,j_Q, a₂Q, .... ^aNO' ^a11' ^a21' **** ^aNK ^sowie die Daten vom Speicher, d.h. ^. und g. (j = 1, 2, .... M) und C₁ und C₂ 75, sowie X. werden bei einem Schritt 76 herangezogen, um die in Verbindung mit der oben erläuterten Meßmethode erwähnte Gleichung (134) zu lösen, d.h. M-dimensionale gleichzeitige Gleichungen ersten Grades, um Inkremente Δ ^,At₂, .... At^ und

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₁₀, Aa₂₀, ....Aa_N0, Aa₁₁₉Aa₂₁, .... Aa^ 77 zu gewinnen.

In einem Schritt 78 werden diese Inkremente verwendet, : um unter Verwendung der Gleichungen (138) und (139) die ^! Werte t₁, t₂, .... tjj, ^ai0' ^a20* ·*·· ^auo ^{un a}11' ^a21' .... a.™. 79 zu korrigieren, um neue Approximationen t,,,

*2 *η' ^a1O» ^a20' *'·' ^aNO ¹^ ^a11» ^a21^f "**

zu erhalten.

Bei einem Schritt 80 werden diese neuen Approximationswerte 79 und die Daten vom Speicher 71, d.h. λ.., g. (j = 1, i 2, .... M), C₁ und C₂ 75, zur Berechnung der Gleichung (135) verwendet, die bereits bei der Erläuterung der Meßmethode , angegeben ist, um auf der Grundlage eines mathematischen j Modells theoretische Werte x^ (3 = 1, 2, .... M) der Spek- { tren abzuleiten. !

Bei einem Schritt 81 wird dann geprüft, ob der theoretische Wert χ, in Richtung auf den erfaßten Wert X.. 51 konvergiert oder nicht.

Falls die Entscheidung beim Schritt 81 "Nein" ist, d.h., daß man keine Konvergenz erhalten hat, kehrt der Prozeß zum Schritt 76 zurück, um die Berechnungen zu wiederholen. Ist beim Schritt 81 die Antwort "Ja", d.h., daß man eine Konvergenz erhalten hat, macht man in einem Schritt 82 die Approximationswerte t_n und a _k in diesem Zeitpunkt zu den gemessenen Werten der Temperatur T_n und A_n^ bezüglich des spektralen Emissionsgrades.

Die gemessenen Werte T_n werden direkt als Präzisionsmeßwerte der Temperatur ausgegeben, wie es bei 83 angedeutet ist, während die Werte, die man durch Substituieren von A _k in die Gleichung (130) erhält, als Präzisionsmeßwerte des spektralen Emissionsgrades ausgegeben werden, wie es bei. 84 angedeutet ist. :

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Mit der beschriebenen Meßanordnung kann man somit in effektiver Weise die oben erläuterte Meßmethode ausführen. Weiterhin kann man die Anordnung einsetzen, um den spektralen Reflexionsgrad als auch den spektralen Transmissionsgrad zu messen.

Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung nach der Erfindung, die auf den Fall angewendet wird, daß der Radiator ein Rotor ist und zwei Lichtquellen vorhanden sind. Es handelt sich insbesondere um eine Meßanordnung zum Messen der Temperatur der Turbinenschaufel in einer ersten Stufe eines Strahltriebwerks.

Der in dieser Meßanordnung 21 von einem Monochromator empfangene Strahlungsfluß enthält einen Strahlungsfluß 22a von einem unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgas 22 und einen Strahlungsfluß von einem Turbinenblatt 22B einer ersten Strahlentriebwerksstufe. Weiterhin sind in Fig. 2 dargestellt eine Düse 40, ein Rotor 41, ein Vorderkantenabschnitt 42 des Turbinenblatts 22B sowie der Rücken 43 und der Bauch 44 des Turbinenblatts.

Der Monochromator 23 enthält einen Kondensor 23a zum Sammeln des Strahlungsflusses von dem unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgas 22 und vom Turbinenblatt 22B und weist ferner ein Lichtleitfaserkabel 23b auf, um den vom Kondensor 23a gesammelten Strahlungsfluß durch vier optische Bahnen zu führen, und enthält schließlich noch ein optisches Filter 23c, das das Licht von den optischen Bahnen des Lichtleitfaserkabels 23b spektral trennt oder aufteilt. Jede effektive Wellenlänge des Filters 23c ist so eingestellt, daß der Gleichung (101) Genüge getan wird. Falls es beabsichtigt ist, Präzisionsmeßwerte der Temperatur zu erhalten, wie bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1, kann man zusätzlich zu den gezeigten vier Filtern eine entsprechend erforderliche Anzahl von spektralen Filtern vor-

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sehen. In diesem Fall kann eine Präzisionsmessung dadurch

erreicht werden, daß man die erfaßten Werte aller Filter -

mit den gemessenen Werten der zuerstgenannten vier Filter :

als Approximationswerte benutzt. ι

Eine Umsetzereinrichtung 24 zum Umsetzen der Spektren
vom Monochromator 23 in entsprechende elektrische Werte
enthält einen photoelektrischen Wandler 24a und ' einen
Multiplexer sowie einen Analog/Digital-Umsetzer 24b zum
Umsetzen der analogen elektrischen Signale des photoelek- ; trisehen Wandlers 24a in entsprechende elektrische Digitalsignale. ;

Die. Digitalsignale der Umsetzereinrichtung 24 werden
einem Rechner 25 zugeführt.

Der Rechner 25 ist der gleiche wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1, ausgenommen daß N = 2. ^;

Im Rechner 25 werden die Temperatur und der spektrale \ Emissionsgrad des Turbinenblatts 22B und des unter hohem ! Druck stehenden Verbrennungsgases 22 auf der Grundlage der ^: oben erläuterten Meßmethode berechnet, und zwar unter Ver-Wendung des spektral erfaßten Wertes für die effektiven
Wellenlängen, die nach der Gleichung (101) ausgewählt sind, j und unter Verwendung der in einem Speicher gespeicherten

Daten X^, g^, C₁ und C₂. Der Rechenvorgang erfolgt in einer i Weise, wie er in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
nach der Fig. 1 beschrieben wurde. '

Mit der nach der Erfindung ausgebildeten Meßanordnung
21 können die Temperatur des Vorderkantenabschnitts 42 und ! des Bauches 44 des Turbinenblatts 22B direkt gemessen wer- \ den. Es ist nicht erforderlich Beschränkungen aufzuerlegen,
die bei herkömmlichen indirekten Messungen in Betracht ge- ; zogen werden müssen und nach denen der Zugriff nur zum
Rücken 43 des Turbinenblatts gestattet ist, wo die Tempera-

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_₅₁_

tür nicht so kritisch wie am Bauch 44 ist. Mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist es daher möglich, die Temperatur des Turbinenblatts 22B auf den höchstzulässigen Wert zu steigern. Dadurch ist eine hohe Wärmeeffizienz des Strahltriebwerks möglich. Da man weiterhin nach der Erfindung die Temperaturmessung ohne jegliche Beschränkung im Hinblick auf den spektralen Emissionsgrad ausführen kann, ist unabhängig von säkularen Änderungen des spektralen Emissionsgrads des Turbinenblatts 22B eine genaue Temperaturmessung möglich. Diese Möglichkeit trägt zum effizienten Betrieb des Strahltriebwerks bei. Obgleich sich der vom Turbinenblatt 22B auf den Monochromator 23 fallende Strahlungsfluß mit der Bewegung des Turbinenblatts 22B periodisch ändert, kann man dieser Tatsache dadurch begegnen, daß Daten von Koeffizienten für die Korrektur der periodischen Änderungen gespeichert und bei der Datenverarbeitung verwendet werden. Auf diese Weise ist es möglich, Messungen von vergleichsweise schnellen periodischen Änderungen des Strahlenflusses des Turbinenblatts 22B zu erhalten.

Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung ausgebildeten Meßanordnung 31, die die Temperaturverteilung in einem erhitzten Körper mißt, und zwar unter Anwendung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens.

Bei der Meßanordnung 31 wird die Zahl N, die in Verbindung mit dem Monochromator 3 in der Meßanordnung nach der Fig. 1 genannt ist, auf N = 2 gesetzt. Die Meßanordnung 31 enthält einen Monochromator 33 mit einer Objektivlinse 33a zum Empfangen des Strahlungsflusses eines erhitzten Körpers, beispielsweise eines in einem Ofen befindlichen, nicht dargestellten Werkstoffs. Weiterhin enthält der Monochromator 33 einen ersten diehrοitischen Spiegel 33b, der den Strahlungsfluß von der Objektivlinse 33a bei besonderen Wellenlängen reflektiert, um ein erstes Spektrum 33b,, zu bilden, wohingegen andere Wellenlängen 33bp durchgelas-

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sen werden, einen zweiten dichroitischen Spiegel 33c, der einen Teil des vom ersten dichroitischen Spiegel 33b durch- . gelassenen Strahlungsflusses 33b₂ reflektiert, um ein zweites Spektrum 33c,j zu bilden, wohingegen der restliche Anteil dieses Strahlungsflusses in Form eines zweiten transmittierten Strahlungsflusses 33cp durchgelassen wird, und einen dritten dichroitischen Spiegel 33d, der einen Anteil des zweiten durchgelassenen Strahlungsflusses 33cp < reflektiert, um ein drittes Spektrum 33d^ zu bilden, wohingegen der Restanteil des zweiten durchgelassenen Strahlungsflusses 33cp einen dritten durchgelassenen Strahlungs- _; fluß 33dp bildet, der ein viertes Spektrum darstellt. Die effektiven Wellenlängen des ersten, zweiten und dritten dichroitischen Spiegels sind so gewählt, daß sie den Bedingungen nach der Gleichung (101) genügen. !

Falls es notwendig ist, kann man wie beim Ausführungs- . beispiel nach der Fig. 1 die Anzahl der Spektren erhöhen, j indem man zusätzliche dichroitische Spiegel vorsieht, die dann die Präzisionsmessung gestatten. Eine Umsetzereinrichtung 34 in der Meßanordnung 31 bewirkt,die Umsetzung der Spektren in elektrische Digitalsignale (erfaßte Werte), allerdings nicht in der Form eines Gesamtsignals, sondern bezüglich einzelner Punkte, bei denen ..es sich jeweils um Sammlung besonderer einzelner Punkte handelt, d.h. in Form j von Bildpunktsignalen. ;

Die Umsetzereinrichtung 34 enthält einen ersten Bildfühler 34a mit einer Vielzahl photoelektrischer Wandler, : von denen Jeder jeweils so angeordnet ist, daß er bestimm- ; ten Bildpunktkoordinaten entspricht, um die vom ersten Spektrum 33^ gebildeten und vom ersten dichroitischen Spiegel 33b erhaltenen Lichtbilder an den betreffenden Bildpunktkoordinaten in·elektrische Analogsignale 34a_Q umzusetzen. Ein zweiter Bildfühler 34b empfängt das zweite Spektrum 33c^ vom zweiten dichroitischen Spiegel 33c und

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hat die gleiche Funktion und Konstruktion wie der erste Bildfühler 34a. Ein Bildfühler 34c empfängt das dritte Spektrum 33d^ und hat die gleiche Funktion und Konstruktion wie der erste Bildfühler 34a. Ein vierter·Bildfühler 34d empfängt das vierte Spektrum 33d«» das vom dritten dichroitischen Spiegel 33d durchgelassen wird, und hat die gleiche Funktion und Konstruktion wie der erste Bildfühler 34a. Ein Abtaster 34e tastet die Bildpunktsignale 34aQ, 34b_Q, 34_Q und 34d_Q vom ersten, zweiten, dritten und vierten Bildfühler in Form serieller Signale ab. Ein Analog/Digital-Umsetzer 34f setzt die einzelnen Bildpunktsignale 34e_Q des Abtasters 34e in elektrische Digitalsignale 34f_Q um.

Die elektrischen Digitalsignale 34fQ werden von der Umsetzereinrichtung 34 einem Rechner 35 zugeführt, der die gleiche Konstruktion wie der Rechner 5 im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 hat.

Im Rechner 35 wird eine Datenverarbeitung vorgenommen, die mit derjenigen ähnlich ist, die bereits in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 beschrieben wurde, um für die einzelnen Bildpunktkoordinaten Meßwerte der Temperatur und des spektralen Emissionsgrads zu gewinnen.

Die gemessenen Werte werden einer Schnittstelle 36 zugeführt, in der sie in ein Videosignal umgesetzt werden, das auf einer Empfängerröhre 37 in Form eines Bildes dargestellt wird, das die Temperaturverteilung des innerhalb des Ofens befindlichen, erhitzten Werkstoffes angibt.

Mit der Meßanordnung 31 kann man die Temperaturverteilung des erhitzten Werkstoffs im Ofen ohne■Beeinträchtigung durch das Gas im Ofen usw. genau messen. Durch Überwachung ₍ der Temperaturverteilung ist es möglich, eine abnormale Temperatur frühzeitig zu erkennen und einen möglichen Unfall

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zu verhindern. Diese Meßanordnung kann man auf rotierende Teile, chemische Reaktionsgeräte usw. anwenden.

Anstelle der bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel benutzten Filter und dichroitisehen Spiegel ist es auch möglich, Prismen, Nachbildungen usw. zu benutzen.

Im Falle der "Verwendung von Prismen oder Nachbildungen bzw. Repliken kann man einen einzigen photoelektrischen Wandler benutzen, der den ankommenden Strahlungsfluß empfängt. Die Prismen oder Repliken kann man zur Wellenlängenabtastung mechanisch antreiben. Alternativ kann man eine Anzahl von Elementen vorsehen, auf die die Strahlungsflüsse unterschiedlicher Wellenlängen fallen. Die Abtastung kann dann elektrisch .vorgenommen werden.

Als photoelektrische Wandler kommen verschiedenartige Metalle, Halbleiter, Dielektrika usw. in Frage. Diese Materialien werden im allgemeinen im gekühlten Zustand für Messungen im Fernultraviolettbereich benutzt. Während man den pyroelektrischen Typ bei normaler Temperatur einsetzen kann, muß man in diesem Fall einen Zerhacker vorsehen, der das Ein- und Ausschalten des einfallenden Strahlungsflusses regelmäßig steuert. Im allgemeinen werden photoelektrische Wandler in Abhängigkeit von der Anwendung in geeigneter Weise ausgewählt und zwar mit oder ohne Zubehöreinrichtungen.

Wenn der Meßgegenstand von einer Anzahl von Punkten gebildet wird, kann man die Abtastung mit Hilfe eines Strahlabtasters vornehmen. Ferner ist es möglich, eine Referenzlichtquelle zur Eichung des Meßinstrumentes vorzusehen. Man kann auch einen Teilbereich verwenden, der für Kompensationszwecke die Umgebungstemperatur des photoelektrischen Wandlers in Betracht zieht.

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Anstelle einer Realzeit-Datenverarbeitung ist es auch möglich, die Daten zunächst auf einem photographischen Film, Magnetband oder dgl. aufzuzeichnen und später zu verarbeiten.

Wenn ein Analogrechner für die Berechnungen mit der Gleichung (112) benutzt wird, kann man eine sehr schnelle Datenverarbeitung erzielen. So kann man beispielsweise mit dem Strom den erfaßten Wert X^ in der Gleichung (103) darstellen und mit einem Widerstand kann man kollektiv die anderen Konstanten darstellen, so daß, wenn der Strom X₁ fließt, die am Widerstand abfallende Spannung Y₁ darstellt. Auf diese Weise ist es möglich, die langsame Verarbeitung durch den Digitalrechner aufzuwiegen.

Im folgenden soll die Erfindung für den Fall erläutert werden, daß nur ein einziger Strahler Gegenstand der Messung ist. In diesem Fall unterliegt die Beziehung zwischen den Wellenlängen der einzelnen Kanäle keiner Beschränkung, so daß es möglich ist, Wellenlängen auszuwählen, die für die Bedingungen der Messung geeignet sind. Es treten auch keine Probleme bei der Auswahl von Filtern auf.

Bei den Jetzt folgenden Ausführungsbeispielen wird die Temperatur entweder dadurch gemessen, daß die gemessenen Werte der Strahlungsflußintensitäten aller Kanäle herangezogen werden, oder die Temperatur wird für all die Kombinationen gemeinsam gemessen, wobei jede der Kombinationen zwei oder mehrere Kanäle umfaßt, die in geeigneter Weise von den verfügbaren Kanälen ausgewählt sind, und seine eigene Temperatur als Ergebnis der Kombination darstellt und wobei der Spektralfaktor aus diesem gemessenen Wert der Temperatur und den spektralen Strahlungsflußintensitäten berechnet wird.

Vor der Beschreibung des vierten bis siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung soll zunächst das diesen Aus-

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3P3195S

führungsbeispielen zugrundeliegende Meßverfahren erläutert ·

werden, um diese Ausführungsbeispiele besser verstehen zu ;_._ können. Der Strahlungsfluß eines Strahlers, der eine Tempe- :

raturstrahlung abgibt, wird von einem Monochromator be- .

züglich effektiver Wellenlängen X₁ bis Λ_Μ für M verschie- ^;

dene Kanäle spektral getrennt oder aufgeteilt. Die Spek- '

tren werden in entsprechende elektrische Werte X₁ bis X_M ;

umgesetzt. . ;

Von den elektrischen Erfassungswerten für M Kanäle ; werden elektrische Werte X^ für die effektiven Wellenlängen/U (i = 1> ²> ···· ni) ^für &■ Kanäle gewonnen. Gleichungen, die die Temperatur, den spektralen Faktor und ' die spektrale Strahlungsintensität betreffen, werden für ί die einzelnen effektiven Wellenlängen λ., entwickelt, in- L-dem man eine Gleichung verwendet, die die spektralen Fak- ' torwerte für die einzelnen effektiven Wellenlängen appro- ^: ximiert, wobei die Gleichung m - 1 Unbekannte und einen ^l unbekannten Term enthält, der die Temperatur der Probe ■ darstellt, und indem man noch eine Gleichung verwendet, .I die die spektrale Ausstrahlung eines schwarzen Körpers · j betrifft. Die Temperatur und der spektrale Faktor werden ί aus den Wurzeln der auf diese Weise entwickelten Glei- ' chung abgeleitet. Für die Approximationsberechnung des ; spektralen Strahlungsaustrittsvermögens oder des spektra- ! len Ausstrahlungsgrades des schwarzen Körpers wird für j jede effektive Wellenlänge das Strahlungsgesezt nach Wien j benutzt, während für die Präzisionsberechnung das Strah- [ lungsgesetz nach Planck verwendet wird, wie es noch im ' folgenden erläutert wird. ", "

Mit der Kapazität jetziger elektronischer Rechner
kann man die oben erwähnte Gleichung direkt lösen. Um -jedoch für den Rechner die Last zu verringern und schnellere
Berechnungen mit einem einfacheren Rechenvorgang zu bewerkstelligen, kann man das folgende Rechenverfahren anwenden.

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Für die Formel des spektralen Faktors wird eine Funktion der Wellenlänge einschließlich m - 1 Unbekannter benutzt, beispielsweise ein Polynom der effektiven Wellenlänge vom (m - 2)-ten Grad. Unbekannte, die in der oben erwähnten Formel den spektralen Faktor betreffen, werden algebraisch eliminiert, um in bezug auf die Temperatur eine noch zu beschreibende, 1-dimensionale irrationale Gleichung 225 zu gewinnen. Diese Gleichung wird gelöst, um die Temperatur zu erhalten. Die auf diese Weise berechnete Temperatur wird in die oben erwähnte Gleichung substituiert, um den spektralen Faktor abzuleiten. Wenn die effektiven Wellenlängen so ausgewählt sind, daß die oben erwähnte Beziehung

(.J —! =Οθ) gilt und das Strahlungsgesetz von Wien

*i *i + 1

angewendet wird, wird die oben erwähnte irrationale Gleichung mit einer Unbekannten auf eine 1-dimensionale Gleichung vom (m - 1)-ten Grad reduziert. Für den Fall m » 3 oder m = 4, kann man die Temperatur direkt berechnen, und zwar unter Verwendung der an sich bekannten Formeln für die Wurzeln.

Während der spektrale Faktor und die Temperatur T in der obigen Weise gemessen werden, soll die Anwendung des Strahlungsgesetzes nach Wien im einzelnen erläutert werden.. Die Verwendung des Strahlungsgesetzes nach Planck soll ebenfalls beschrieben werden.

Nach der Erfindung gelangt der Strahlungsfluß von einer thermisch strahlenden Probe, beispielsweise ein mit Hilfe eines Kondensors und eines Filters gewonnenes Spektrum, zu einer Einrichtung zum Umsetzen des Strahlungsflusses bzw. des. Spektrums in einen elektrischen Wert. Bei den Umsetzereinrichtungen kann es sich beispielsweise um einen photoelektrischen Wandler und einen Analog/Digital-Umsetzer handeln. Die Kennlinien und Kenngrößen dieser Baueinheiten, wie der Sammelfaktor des Kondensors und der Durchlaßfaktor des Filters in dem spektrophotometrischen

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System, der Wandlungsfaktor des photoelektrischen Wandlers in der Umsetzereinrichtung, die Verstärkung des Analog/ Digital-Umsetzers und die Tendenz der spektralen Faktoren ■ der Probe, falls eine solche Tendenz vorgegeben ist, werden so unter Kontrolle gehalten, daß sie stets bekannt sind. Sie können daher gemeinsam durch eine spektrale Verstärkung oder einen spektralen Gewinn g ausgedrückt werden. Somit kann man den spektralen Gewinn g als eine bekannte Größe behandeln. Andererseits gibt es unbekannte optische Kennlinien und Kenngrößen im optischen System, die nicht unter Kontrolle gehalten oder gesteuert werden können. Im Falle eines Kohlenbrennerofens zählen zu diesen unbekannten optischen Kenngrößen beispielsweise die Gestalt und Form der Kohle, der spektrale Emissionsgrad der die Kohle bedeckenden Asche, der spektrale Transmissionsgrad des die Kohle umgebenden brennenden Gases, der spektrale Transmissionsgrad des Brennkammer-Beobachtungsfensters und der spektrale Transmissionsgrad des optischen Weges, der vom Kohlenbrennerofen bis zu dem erwähnten spektrophotometrisehen System führt. All diese unbekannten Kenngrößen betrachtet man kollektiv als spektralen Faktor der Probe, und bezeichnet diesen spektralen Faktor mitζ . Die Werte des spektralen Gewinns g und des spektralen Faktor f, ändern sich mit der effektiven Wellenlänge.

Zunächst soll das 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren beschrieben werden. In diesem Fall ist das spektrophotometrische System als 3-Farben-Spektrophotometriesystem ausgelegt, und der spektrale Faktor und die Temperatur werden in der folgenden Weise gemessen. · ·

Die effektiven Wellenlängen jedes Kanals werden mit \s\y ^2 und Λ 5 bezeichnet, und der spektrale Faktor, der spektrale Gewinn und der spektrale elektrische Erfassungswert für die einzelnen effektiven Wellenlängen werden ^₁, £₂ und C, bzw. g>j, g₂ und g, bzw. X^, X„ und X, genannt.

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Die Temperatur der Probe wird mit T bezeichnet. Für die einzelnen effektiven Wellenlängen des spektralen Ausstrahlungsgrades gelten die folgenden Gleichungen nach Wein:

«- -c
M₁ = C₁X "^s exp —% (201)

M₂ = C₁X₂"³ exp —I (202)

ς -^C2
M₃ = C₁X₃"⁵ exp —J (203)

"wobei

C₁ = 3.74150 x ΙΟ"¹⁶ W._m ²

C₂ = 1.43879 χ 1O"² m· Grad.

Der spektrale Strahlungsaustritt oder das spektrale Ausstrahlungsvermögen M₁, M₂ und M, steht mit dem betreffenden elektrischen Erfassungswert X₁, X₂ und X^ in folgender Beziehung:

^xi = SiS₁M₁ = g c C₁X ~⁵ -^C2 (204)

J. XXi xxxi exp - —

rf <^2O5>

^X3 * S₃^₃M₃ ^{= g}3^f3^ClV^{5 eXp} 0 ^(2O6)

Selbst wenn die Werte X₁, X₂ und X, in den Gleichun

₁₂

gen (204), (205) und (-206) festliegen, sind ^₁, 8₂ und ^ grundsätzlich unbestimmt. Wenn man jedoch die folgende Gleichung, d.h. eine sich auf die effektive Wellenlänge und die spektralen Faktoren beziehende Gleichung ersten Grades, als beschränkende Bedingung heranzieht, kann man^, Cg undC, gewinnen:

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"^λ2^{} =} ° ⁽²⁰⁷⁾

Die Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung für die Gleichung (207).

In der Fig. 6 stellt die Ordinate den spektralen Faktor £ und die Abszisse die effektive Wellenlänge >- dar.

Koordinaten P₁ (^₁, ^₁), P₂ (λ₂, S 2) ^{und P}3 (^3» ^ 3) ^be" finden sich auf einer geraden Linie L.

Durch direktes Lösen der Gleichung (207) unter Vervendung der Gleichungen (204), (205) und (206) mit einem Rechner kann man die spektralen Faktoren £^, £p ^un(^· ^3 sowie die Temperatur T erhalten.

Um die Lösung der Gleichung (207) zu vereinfachen, benutzt man ein spektrophotometrisches System, bei dem die durch die folgende Gleichung gegebene nominelle Beziehung : zwischen λ.^ , ^₂ und λ ^ gilt: L

JL --i- . JL --L .«ι ..;.... (208) !

λΐ \2 X2 \3 ;

dabei ist cäj eine Konstante und ^ ^ A₂ ^ ?L^.

Durch Lösen der Gleichung (207) unter Verwendung der '

Gleichungen (204), (205), (206) und (208) erhält man die !

beiden folgenden verschiedenen Arten von gemessenen Werten γ für den spektralen Faktor:

T- .(209) !

i3%^₂ j

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λα Λ2

γ λ ⁴ γ «. 4 λ2 ~ \1 λ2 " λ.1 ^Χ2*2 λΐ ^X2^SlA2 k

A₃ ⁺ Xl

X₂X₂ ⁵ X₃S₁X? k ^{λ3 λΐ}

(211)

λ3 λ2

⁴. γ« 4 *2 ' λ₃ λ2"λ3

³ "

j wobei k und Ic für die erste Art von gemessenen Werten

ι durch Gleichungen (213) und (214) und für die zweite Art

! von gemessenen Werten durch Gleichungen (215) und (216)

! gegeben sind:

k =	1 +	I-	Y Y rr 2 4 4 XlX3g2 Xl ^3
k =	1 -	L	X2 SiS3X2
k =		YYr,2 4 4 X1X3S2 Xl X3
—	1 +	X2 S1S3X2
	γ γ „ 2 4 4 XlX3g2 Xl X3
	P ο 2 X 3 2
Y Y rr 2 4 4 XlX3g2 Xl X3

(213)

(214)

(215)

ο .....(216)

^Χ2

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Der Inhalt innerhalb des Wurze'lausdrucks in den Gleichungen (213), (214), (215) und (216) ist nicht immer negativ, da man die folgende Transformation vornehmen kann:

ρ 8

X₂ S₁S₂X₂

Die Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der oben erwähnten zwei verschiedenen Arten von gemessenen Werten des spektralen Faktors £ und der Temperatur T. In der Fig. 7 ist auf der Ordinate der spektrale Faktor £ und auf der Abszisse die effektive Wellenlänge ^aufgetragen. Die gemessenen Werte der ersten Art befinden sich innerhalb eines schraffierten Bereiches A₁, der durch gerade Linien L₁ und L₂ begrenzt ist. Die Linie L₁ verbindet den Ursprungspunkt (O, 0) mit einem Punkt (/L₂, 6₂)· Die gerade Linie L₂ verbindet einen Punkt (\y 0)mit einem Punkt

to)· Die gemessenen Werte der zweiten Art befinden sich innerhalb eines schraffierten Bereiches A₂, der durch die gerade Linie L₁ und eine gerade Linie L, begrenzt ist, j die durch einen Punkt (^₁, 0) und einen Punkt U₂, £₂) läuft*

Die Gleichung (209), die die Temperatur T beschreibt, ; und die Gleichungen (210), (211) und (212), die den spek- ] tralen Faktor beschreiben, kann man in anderen Formen aus- : drücken. So kann man beispielsweise die Gleichung (209) ' wie folgt schreiben: ;

(209·)

X₁S₂X₁

4 ^C2^C<· 4

k) ln( k)

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- 63 -

Die Gleichungen (210) und (212) kann man wie folgt schreiben:

C₁ = ^i k£₂ (210·)

E₃ = T^ k£ (212·)

^J λ2 ²

Die Präzision oder Genauigkeit des erwähnten 3-Farben-Spektrophotometrieverfahrens ist so lange sichergestellt, wie sich der spektrale Faktor in Abhängigkeit von der Wellenlänge in einem Ausmaß ändert, daß die Relation des spektralen Faktors zu der effektiven Wellenlänge als Gleichung ersten Grades angegeben werden kann. Das 3-Färben-Spektrophotome trieverfahren kann nicht mehr angewendet werden, wenn sich der spektrale Faktor in einer komplizierten Weise in Abhängigkeit von der effektiven Wellenlänge ändert. Für Wellenlängen innerhalb eines schmalen Bandes, wo sich der spektrale Faktor linear mit der Wellenlänge ändert und insbesondere gegenüber Wellenlängen ändert, bei denen die Minima oder Maxima einer Verteilungskurve erscheinen und die Einhüllende dieser Punkte sich linear in Abhängigkeit von der Wellenlänge ändert, ist es allerdings möglich, die Approximation durch das 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren anzuwenden, d.h. eine durch die Gleichung (207) beschriebene gerade Linie.

In dieser Beschreibung wird ein Verfahren zum Messen des spektralen Faktors Ö und der Temperatur T in bezug auf die Wellenlänge für M verschiedene Knäle unter Anwendung des oben erwähnten 3-Farben-Spektrophotometrieverfahrens für jeden schmalen effektiven Wellenlängenbereich oder für Jede besondere effektive Wellenlänge, wie oben erwähnt, als M-Farben-Spektrophotometrieverfahren bezeichnet, das Verwendung von dem 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren macht.

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Die Fig. 8 zeigt einen Fall zum Messen des spektralen Faktors t für einzelne effektive Wellenlängen und zum Messen der Temperatur durch das M-Farben-Spektrophotometrie- . verfahren unter Verwendung des 3-Farben-Spektrophotometrieverf ahrens. In der Fig. 8 ist längs der Ordinate der spektrale Faktor Z und längs der Abszisse die effektive Wellenlänge λ. aufgetragen. M effektive Wellenlängen sind auf der Abszisse angegeben. Wie bereits erwähnt, gewinnt man bei diesem Verfahren den spektralen Faktor £ für jede effektive Wellenlänge und die Temperatur T unter der Annanme, daß die Beziehung der Gleichung (207) für jede der drei gegebenen effektiven Wellenlängen in einem schmalen Wellenlängenbereich oder für jede der drei besonderen effektiven Wellenlängen gilt. In der Fig. S ist die Beziehung des spektralen Faktors ^₁, E₂ und£ , zur effektiven Wellenlänge λ.^, Xg und λ., durch einen Linienabschnitt I₁₂3 approximiert. Die Beziehung vonfc,, fc^ und ^ κ zu X^, X^ und Λ = ist durch einen Linienabschnitt I34.5 approximiert. Die Beziehung vonfc^, £.= und£_k zu X, Tu und/I^ ist durch einen Linienabschnitt I₁Jj₅₁ approximiert. Die Beziehung von&_M _ ₂ (nicht gezeigt), 6_M _ -j und_fc_M ^{zu 71}M _ 2 (nicht gezeigt)» Xjj - 1 ¹^ ^m ^{ist dur}9^{h eine}n Linienabschnitt 1_M _ 2 M - 1 M ^aPP^roximi^er-fc·

λ-j und X_k brauchen hier nicht aneinander zu grenzenJ Es können andere dazwischenliegende effektive Wellenlängen |

vorhanden sein, beispielsweise X und λ.. _Λ . Weiterhin ist man frei, den spektralen Faktor £ entsprechend der effektiven Wellenlänge \ auf dem Linienabschnitt 1 zu verwenden, und daß man nicht den spektralen Faktor t* + * entsprechend der effektiven Wellenlänge A^₊₁ für die Berechnungen auf der Grundlage des 3-Farben-Spektrophotometrieverfahrens benutzen muß. Die wiederholte Verwendung des spektralen Faktors £ χ entsprechend der effektiven Wellenlänge A3 sowohl für den Linienabschnitt 1^₂- als auch für den Linienab-

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schnitt I345 ist möglich. Weiterhin ist es freigestellt, für die Wellenlänge \ keinen Monochromator zu verwenden, und folglich auch keinen entsprechenden elektrischen Erfassungswert Χ_χ. Man kann den imaginären spektralen Faktor £„ gegenüber der imaginären effektiven Wellenlänge A„ vorsehen, und zwar durch Ableitung aus den effektiven Wellenlängen >.. und λ. sowie aus den entsprechenden elektrisehen Erfassungswerten X. und X..

Wenn die elektrischen Erfassungswerte Xj, X^ und für die Untergruppe von diesen drei effektiven Wellenlängen ν, χ. undX, festgelegt sind und die Beziehung von £*, 9 . und t\r zu λ., Χ_Λ und ^₁, für fähig betrachtet wird, durch die Gleichung (207) ausgedrückt zu werden, und zwar in ähnlicher Weise wie das oben erwähnte 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren, erhält man die beiden verschiedenen Arten von gemessenen Werten des spektralen Faktors £_i# t* und δι-entsprechend der betreffenden effektiven Wellenlängen λ± * *1 ^und ^k ^{αΘΓ U3:rfcer}S^ruPP^{e und die} Temperatur T für 3ede Untergruppe durch Lösen der Gleichung (207) unter Verwendung des oben erwähnten X.^, X- und X^.

Während der spektrale Faktor C für die einzelnen effektiven Wellenlängen und die Temperatur T, die alle in der oben angegebenen Weise gemessen werden sollen, von Natur aus einwertig sind, erhält man bei der Messung vielfache Werte (gleich dem Doppelten der Anzahl der Untergruppen). Von dieser Vielzahl von Werten, die zu zwei verschiedenen Arten gehören, werden für jede Untergruppe diejenigen in "beiden Arten als der spektrale Faktor Z und die Temperatur T ausgewählt. Die gemessenen Werte für jede der Untergruppen werden verglichen und untersucht, so daß der spektrale Faktor und die Temperatur beständig bestimmt werden können.

Bei einem Verfahren werden die Temperaturwerte für die einzelnen Untergruppen gemittelt, um die mittlere oder Durch-

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Schnittstemperatur T_Q zu erhalten. Von dieser mittleren Temperatur erhält man den "spektralen Faktor £.. für jede effektive Wellenlänge durch Verwendung der folgenden Gleichung:

⁽²¹⁷⁾

Wenn man die effektiven Wellenlängen·so wählt, daß sie der folgenden Beziehung genügen:

+ 1

(208·)

(wobei O^ eine Konstante ist, und i = 1, 2, . .·.. M- 1), und wenn man jede Untergruppe mit drei aufeinanderfolgen den effektiven Wellenlängen ausbildet, ist die mittlere Temperatur Tq durch die folgende Gleichung gegeben:

^TO ^{= (Τ}123^+Ί:234^{+ +T}M-2 M-I

' ' ' K'M-2 M-I M _x2C„c

^X1^X2^SM-1^SMXi λ» 2 K123K234 '· * * ^X M-2 (218)

dabe-L ^{sind k}i, i + 1, i + 2 ^{und E}i, i + 1, i + 2 <* " ¹' ^! 2, .... M - 2) Werte, die man durch Adoption der Glei- , chungen (213), (214) und (215), (216) für die Untergruppe ' der effektiven Wellenlängen λ., Λ. .. und λ erhält.

Das oben erwähnte 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren und das M-Farben-Spektrophotometrieverfahren, das von dem 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren Gebrauch macht, ge- ^! statten die Approximation der Temperatur T und des spektra- : len Faktors ζ eines Strahlers in Form sehr einfacher posi-

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tiver Funktionen, und die erhaltenen Werte kann man direkt als Approximationen in einem Fall verwenden, bei dem genaue Meßwerte nicht erforderlich sind. Wenn genaue Meßwerte benötigt werden^ muß man das im folgenden beschriebene Meßverfahren benutzen. Wie es noch ersichtlich wird, benötigt man bei diesem Meßverfahren Approximationswerte, um die Präzi'sionswerte zu erhalten. Diese Approximationswerte werden mit dem oben erwähnten 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren oder mit dem M-Farben-Spektrophotometrieverfahren gewonnen, das von dem 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren Gebrauch macht. Alternativ kann man unter Verwendung von noch zu beschreibenden Gleichungen 240-1 oder 240-2 Werte erhalten, dei man dann verwendet, um genaue Meßwerte zu gewinnen.

Bei diesem Meßverfahren oder dieser Meßmethode ist das spektrophotometrische System als ein m-Spektrophotometriesystem konstruiert, und das Strahlungsgestz nach Planck wird benutzt, um genaue Werte des spektralen Faktors und der Temperatur zu erhalten. Dieses Verfahren wird im folgenden Präzisions-ra-Farben-Spektrophotometrie genannt.

Bezeichnet man die effektive Wellenlänge mitX. für irgendeinen gegebenen Kanal innerhalb von m verschiedenen Kanälen des m-Farben-spektrophotometrischen Systems und bezeichnet man den spektralen Gewinn, den elektrischen Erfassungswert und den spektralen Faktor des Strahlers mit gj, X. und t . in bezug auf die effektive Wellenlänge \* und verwendet man für die Bezeichnung der Temperatur der Probe T, ist die spektrale Ausstrahlung M. in bezug auf die effektive Wellenlänge X₁ durch die folgende Gleichung gegeben:

/ ^C2 ' -¹ '

M, = C₁X, ^J(expU₄T/.|; (219)

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wobei C₁ und C₂ dieselben Werte wie im Strahlungsgesetz nach Wien hab&n.

Bekanntlich besteht zwischen der spektralen Ausstrahlung Mj und dem elektrischen Erfassungswert X. die folgende Beziehung:

^(exp Zt - ^{irl (220)}

Aus der Gleichung (220) kann man eine Gleichung ge- ; winnen, die den spektralen Faktor6^, die Temperatur T, die effektive Wellenlänge \^, den spektralen Gewinn g. und den elektrischen Erfassungswert Χ,,, in Beziehung setzt:

ν γ ι ⁵ :r- i

i ί^λχ ^λί Ι

i ⁼ C M ⁼ G c "J-/ ....... (221)·· j

wobei i

^C2
y = exp — (222)

Während der spektrale Faktor £ j für die ef- . fektive Wellenlänge \^ äußerst freie Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann, wird die folgende beschränkende Bedingung j zum Vorsehen von m - 1 Freiheitsgraden in gegenseitiger ' Unterordnung erstellt:

Die Form der Funktionen der Gleichung (223) kann man in einer geeigneten Weise bestimmen. Die Lösung der Gleichung (223) und gleichzeitig der Gleichung (221) bestehend aus einem Satz von m Gleichungen kann man direkt mit einem Digitalrechner gewinnen, um y zu erhalten, d.h. die Temperatur T, und m Werte des spektralen Faktors £<,,

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Als nächstes wird im einzelnen ein spezieller Fall für die Gleichung (223) beschrieben, wobei der spektrale Faktor entsprechend der effektiven Wellenlänge \* durch das folgende Polynom vom (m - 2)-ten Grad angenähert ist und m Sätze von Koordinaten (?L, £<i)> (A?» to) > .... (λ , fc ) als auf eine Kurve befindlich betrachtet werden, die durch das Polynom vom (m - 2)-ten Grad dargestellt wird. In anderen Fällen kann man eine 1-dimensionale irrationale Gleichung bezüglich der Temperatur T leicht entwickeln, und zwar in ähnlicher Weise wie bei der Entwicklung der Gleichung (225), so daß eine Einzelbeschreibung entfallen kann.

Σ1 A₁ ^₁ = O (223»)

A. = (-I)¹"¹ 7Γ(λ. - λ.) (224)

^{1 K} J

wobei k und j natürliche Zahlen sind, die den folgenden Bedingungen genügen: k^i, j ^i, k> j, 2 ^ k = m, 1 = j ύ m - 1. Der Ausdruck Ti (χ. -λ. .) in der Gleichung (224) stellt ein Produkt dar, das man durch Multiplikation des Faktors (^ ~^·-ι) bezüglich aller Kombinationen von k und j gewinnt.

Aus den Gleichungen (221) und 223') kann man die folgenden irrationalen Gleichungen ableiten:

ι
ή 77* m

£ Bi r - Σ Bi =s 0

¹⁼¹ f=¹ (225) ί w l (226)

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Durch Substituieren von

« Xi ^_n; (227)

H ty) = Σ. Bi y - Σ BL

in die linke Seite der Gleichung (225) und Differentation von H(y) nach y/:

(r) ^m Ti ~ ^l

^J^= -PDi₇^ (228)

wird die Gleichung (225) für y unter Verwendung der Gleichungen (228) und (229) auf der Grundlage des Gesetzes von Newton-Raphson gelöst, das im Zusammenhang mit numerischen Berechnungen sehr gut bekannt ist. Der iterative Ausdruck zum Ableiten von y lautet wie folgt:

H (ro)

T β Τ ο -

In der Gleichung (230) werden die Werte von H(y) und .. für y = y₀ ausgedrückt durch E{y_Q) und y₀, wobei y_Q der Anfangswert von y ist. Es ist möglich, zum Gewinnen von y in der Gleichung (222) den Anfangswert y₀ zu substituieren, und zwar durch die Meßwerte, die man bei der oben erwähnten 3-Farben-Spektrophotometrie oder bei der M-Parben-Spektrophotometrie unter Verwendung der 3-Farben-Spektrophotometrie erhält, oder durch Werte, die man unter Verwendung von Gleichungen (240-1) oder (240-2) erhält, die noch beschrieben werden. Aus dem auf diese Weise

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- 71 - Γ" 1

gewonnenen y erhält man unter Verwendung der Gleichungen (221) und (222) die gemessenen Werte des spektralen Faktors und der Temperatur.

Die gemessenen Werte, die in dieser Weise erhalten werden, sind von m verschiedenen Arte. Von diesen m verschiedenen Arten an gemessenen Werten wird der richtige gemessene Wert in der folgenden Weise ermittelt. Negative Temperaturwerte, eine unendlich hohe Temperatur und spektrale Faktorwerte, die negativ oder größer als der Wert des schwarzen Körpers (£ = 1) sind, bleiben unberücksichtigt. Weiterhin entfallen gemessene Werte, die sehr stark die Tendenz von Quasilichtquellen in bezug auf andere Werte zeigen. Auf diese Weise werden die richtigen gemessenen Werte so ausgewählt, daß die Temperatur und der spektrale Faktor konsistent oder widerspruchsfrei bestimmt werden können. Die Werte, bei denen es sich um andere als diese gemessenen Werte handelt sind quasigemessene Werte. Der quasi gemessene Wert bedeutet das Vorhandensein einer Quasilichtquelle um den Strahler. Es ist möglich, einen perfekten schwarzen Strahler bei einer gewissen Farbtemperatur mit einem geeigneten Filter abzudecken, so daß der auf diese Weise abgedeckte schwarze Körper den selben Strahlungsfluß wie der von einem anderen perfekten schwarzen Körper bei einer unterschiedlichen Färbtemperatür liefert. Auf diese Weise wird eine Quasilichtquelle bei der unterschiedlichen Farbtemperatur gebildet.

Während bisher keine besondere Beziehung unter den einzelnen effektiven Wellenlängen ausgewählt worden ist, kann man ein m-Farben-spektrophotometrisches System so auswählen, daß die folgende Beziehung

777= ^α ' <²⁰⁸">

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(wobei i = 1, 2, ....m-1 und 7l_m innerhalb- eines Bereiches von einem sehr dicht bei Null liegenden Wert bis nach unendlich ausgewählt ist) in bezug auf die effektiven Wellenlängen innerhalb des m-Kanal-Effektivwellenlängenbereiches gilt. Aus der Gleichung (225)" erhält man:

y ^2m X FZ _y (»-*·)* - J pi « 0 (225·)

ι Die Gleichung (231) stellt die folgende Kombination dar:

_c Cm-I)/
ην-1 Z— ι (ir~l)Z Cⁿ ***·)/

Die Gleichung (225') wird für y auf der Grundlage des Gesetzes von Newton-Raphson in ähnlicher Weise wie für den Fall der Gleichung (225) gelöst, und aus dem auf diese Weise gewonnenen Wert von y erhält man die richtigen Werte des spektralen Faktors und der Temperatur in einer ähnlichen Weise wie für den Fall, bei dem eine Beziehung der Gleichung (208") betreffend die effektiven Wellenlängen nicht vorhanden ist. -

Im folgenden wird eine Abwandlung des oben erwähnten M-Farben-Spektrophotometrieverfahrens, das von dem 5-Farben-Spektrophotometrieverfahren Gebrauch macht, beschrieben, und zwar ein Meßverfahren, das von dem Präzisions-m-Farben-Spektrophotometrieverfahren anstelle des 3-Farben-Spektrophotometrieverfahrens Gebrauch macht, d.h. ein M-Farben-Spektrophotometrieverfahren, das von der Präzisions-m- Farben-Sp ektrophotometrie Gebrauch macht.

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_ Y3 —

Bei der M-Farben-Spektrophotometrie, die von dem Präzi sions-m-Färben-Spektrophotometri everfahren Gebrauch macht, erfolgt die Messung der Temperatur und des spektralen Faktors mit der Präzisions-m-Farben-Spektrophotometrie in bezug auf die effektiven Wellenlängen in Untergruppen geeignet ausgewählter m Kanäle unter M (M « m « 3) Kanälen. Dieses Verfahren gestattet Fehler zu eliminieren, die im Falle des M-Farben-Spektrophotometrieverfahrens, das von der 3-Farben-Spektrophotometrie Gebrauch macht, eingeführt werden, und zwar solche, die auf dem Strahlungsgesetz nach Wien beruhen, und solche, die auf der Approximation der Verteilung des spektralen Faktors auf einer geraden Linie beruhen.

Auch bei diesem Verfahren werden wie bei dem Präzisions-m-Farben-Spektrophotometrieverfahren m verschiedene Meßwerte für jede Untergruppe gewonnen. Von diesen gemessenen Werten oder Meßwerten werden solche, die gegenseitig beabstandet sind, weggelassen, und zwar durch Vergleich der einzelnen Untergruppen unter Verwendung derselben Methode wie im Falle des M-Farben-Spektrophotometrieverfahrens, das von dem 3-Farben-Spektrophotometrieverfahren Gebrauch macht. Der richtige Meßwert wird als der mittlere Temperaturwert aufgrund der Majoritätsentscheidungsregel ausgewählt. Bei Verwendung dieser mittleren Temperatur gewinnt man den spektralen Faktor für 3^ede effektive Wellenlänge. Die Verstärkung oder der Gewinn g. in der Gleichung (200) wird mit dem auf diese Weise gewonnenen spektralen Faktor als Gewichtung multipliziert. Die Berechnung wird dann vom Anfang an wiederholt, um den spektralen Faktor zu erhalten, und der spektrale Faktor wird dadurch bestimmt, daß die oben erwähnte Gewichtung in Betracht gezogen wird.

Zum Messen der Temperatur einer Probe ist es nicht immer notwendig, die Meßwerte für alle Kanäle zu gewinnen. Wenn beispielsweise die Probe mit Dampf, Kohlendioxidgas,

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_ 74 -

einem organischen Gas usw. abgedeckt ist und wenn es beabsichtigt ist, die Zusammensetzung unter Verwendung von besonderen oder eigentümlichen Zwischen-Infrarot-Absorptionseigenschaften solcher Gase zu bestimmen, kann man die Messung machmal einfacher durchführen, wenn man die effektive Wellenlänge des Filters auf diese eigentümlichen Lichtabsorptionsbänder setzt und keinen der erfaßten Werte dieser Bänder für die Messung der Temperatur benutzt.

Mit den beiden oben erwähnten Meßverfahren, d.h. mit dem Präzisions-m-Farben-Spektrophotometrieverfahren und j dem M-Farben-Spektrophotometrieverfahren, das von dem erst eren Gebrauch macht, kann man im Vergleich zu den erstgenannten beiden Meßverfahren für Wellenlängen oberhalb des Punktes, der durch die Übergangs- oder Transitionsregel . nach Wien definiert ist, eine höhere Präzision erhalten. \

Als nächstes soll der Unterschied im Meßwert zwischen ^! der 3-Farben-Spektrophotometrie und der Präzisions-3-Farben-: Spektrophotometrie in bezug auf denselben Strahler disku. werden.

Das Setzen von Σ. f_± = οι in der~Gleichung (225')

bedeutet dasselbe wie die Anwendung des Strahlungsgesetzes nach Wien zum Berechnen des Strahlungsflußaustrittsvermögens oder der Ausstrahlung eines perfekten schwarzen Körpers. Da in der Gleichung (222) T ^ 0,- y ^ 1, kann man die Gleichung (225') wie folgt schreiben:

S Pl _Y(»-i) _{β 0 (232)}

(233)

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Die Gleichung (232) ist eine Gleichung, in der die spektrale Ausstrahlung eines perfekten schwarzen Körpers nach dem Strahlungsgesetz von Wien berechnet wird und die effektiven Wellenlängen so gewählt sind, daß sie der Gleichung (208") genügen, und der spektrale Faktor entsprechend jeder effektiven Wellenlänge ist durch ein Polynom vom (m - 2)-ten Grad approximiert. Wenn man in der Gleichung (232) m = 3 setzt, kann man die oben erwähnten Gleichungen (209), (210) und (211) ableiten. Die Fig. 9 zeigt die Relation zwischen der Wurzel einer Gleichung zum Erhalten des gemessenen Wertes mit der 3-Farben-Spektrophotometrie durch Setzen von G(Y) und m = 3 in die Gleichung (232) und der Wurzel einer Gleichung zum Erhalten des gemessenen Wertes mit der Präzisions-3-Farben-Spektrophotometrie durch Setzen von m = 3 in die Gleichung (225¹). yA = Y wird in die Gleichung (225') gesetzt. In der Fig. 9 ist G(Y) oder die linke Seite der Gleichung (225) der Ordinate zugeordnet, und auf der Abszisse ist Y aufgetragen.

In der Fig. 9 entspricht die Kurve Lq dem Fall der 3-Farben-Spektrophotometrie. Der Punkt P^, d.h. der Schnittpunkt der Kurve L_Q mit der Abszissenachse, stellt Y₁ dar, das zum Erhalten der ersten Art von Werten aufgrund der 3-Farben-Spektrophotometrie benutzt wird. Der Punkt P,-steilt Yp dar, der zum Erhalten der zweiten Art von Werten benutzt wird.

Die Kurven L^, Lc und Lg entsprechen alle dem Fall der Präzisions-3-Farben-Spektrophotometrie. Die Kurve Le 4r F₄ < O. Die Kurve L_c erhält man für 3 F. > 0.

Ä1 * ⁶ i=1 ^x

• m

Die Kurve L₄ erhält man für ^ F. = 0. Die Schnittpunkte

i1

der Kurve L₄ mit der Abszissenachse sind der Ursprungspunkt und fallen mit Sch
senachse zusammen.

und fallen mit Schnittstellen der Kurve Lq mit der Abszis

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In der Präzisions-3-Farben-Spektrophotometrie gilt

m
allgemein: Ύ1 ^± h °* ^{so da}^ ^die Wurzel der Gleichung

(225') mit m = 3 durch die Schnittstellen der Kurve Lg oder der Kurve Lc mit der Abszissenachse erhalten wird. ' Unter Verwendung der Schnittstellenpunkte P^ und P₅ als Anfangswerte zum Gewinnen der Wurzel erhält man die Werte beispielsweise der Punkte Pg und Py von der iterativen Gleichung (230).

Als nächstes wird an Hand der Fig;" 6 das Ausmaß des Meßfehlers für den Fall betrachtet, daß sich die Approxima- ; tion der Beziehung zwischen dem spektralen Faktor und der ^; effektiven Wellenlänge durch ein Polynom ersten Grades von dem wahren Wert unterscheidet.

Bisher wurde angenommen, daß die Werte des spektralen Faktors t ^ , t^ und c·= für die effektiven Wellenlängen X,, j 7\_2 ^unc* λ* ^au^ einer in der Fig. 6 dargestellten geraden ^; Linie L liegen. Wenn aber der wahre spektrale Faktor ^₀ : ^: in bezug auf die effektive Wellenlänge ?l ₂ auf einem Koordi- ; natenpunkt (^₂* ?2 ^ ^is*» sollten die Gleichungen (205) ! ! und (207) wie folgt geschrieben werden: ■ ;

3)+ cLZo ( I 3-X 1

... (207·)

-In der Gleichung (207') ist: d£_Q = ^₂.

Somit sollten die in der 3-Farben-Spektrophotometrie gewonnenen Meßwerte unter Verwendung der Gleichungen (205) und (207) wie folgt korrigiert werden.

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Für die erste Art der Meßwerte gilt:

Für die zweite Art· der Meßwerte'gilt:

( ι - JT^r /

Dabei ist:

..Das bedeutet, daß im Falle der 3-Farben-Spektrophotometrie Meßfehler verbleiben. Diese Fehler werden dadurch
beseitigt, daß der Wert von m oder M erhöht wird. Ist der Strahler vorbestimmt und die Tendenz der Unregelmäßigkeit der Verteilung der spektralen Faktorwerte vorher bekannt, werden die relevanten Faktoren als Gewichtung in den spektralen Gewinn g^ einbezogen.

Als nächstes sollen die Auswirkungen der Annahme oder der Voraussetzung des spektralen Faktors auf die Meßwerte der Temperatur betrachtet werden. Ausßerdem soll noch auf die Fehler eingegangen werden, die bei der herkömmlichen
2-Farben-Spektrophotometrie auftreten.

Im Falle der Annäherung oder Approximation des spektralen Faktors durch ein Polynom des ersten Grads bezüglich der effektiven Wellenlänge, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist, erhält man durch Setzen von:

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78 -

t -'12LIJ. (236)

aus den Gleichungen (210·) und (212») die folgende Beziehung:

t -«l» (236·)

Bezeichnet man dei Meßwert der Temperatur mit Tq, wenn t = t_Q, dann muß man, wenn t ausgedrückt ist durch t = t_Q + At, den Meßwert der Temperatur bei t = t_Q + A t auch in T₀ + Δ- Tq ändern. Den Fehler Δ Tq erhält man aus der Gleichung (209) wie folgt:

Δ γ ο S=. —

At (237)

2 t ο

Wenn man eine Messung unter der Annahme C. = £_ = ^-z ausführt, d.h. unter der Annahme, daß die Probe ein grauer Körper ist, erhält man t_n = ^ _aus der Gleichung (236).

^u A1
Wenn der Strahler gefärbt ist, d.h. wenn t *? t_Q, resultiert der folgende Fehler aus der Graukörper-Annahme:

To JLi(ZX ι-**)

... (237·)

At

Die Gleichung (237¹) zeigt an, daß bei einem speziellen Fall kein Fehler auftritt, nämlich wenn K = oo , d.h. wenn ^₂ = 2Λ-,. Diese 2-Farben-Spektrophotometrie, bei der es von Bedeutung ist, daß die effektive Wellenlänge Λ, gleich O₃ gesetzt ist, während die Beziehung der Gleichung (208) in der 3-Farben-Spektrophotometrie aufrecht erhalten wird, so daß die Analyse bezüglich der Wellenlänge^ ■* als Grenze bedeutungslos ist, ist eine sehr spezielle Art der 2-Farben-Spektrophotometrie.

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Das bedeutet mit anderen Worten, daß die 2-Farben-Spektrophotometrie, die die Anlyse bezüglich einer sehr speziellen Wellenlänge (A₂ = 2λ_/]) durchführt, in der 3-Farben-Spektrophotometrie nach der Erfindung enthalten ist, bei der die effektive Wellenlänge Ά·, irgend einen beliebigen Wert ausgehend von einem dicht bei Null liegenden positiven Wert bis unendlich annehmen kann, und als 3-Farben-Spektrophotometrie betrachtet wird, bei der die effektive Wellenlänge so gewählt ist, daß die Beziehung nach den Gleichungen (208···) erfüllt sind:

T" ~ ~ = ~- Ä3 = oo (208"·)

Wenn somit bei dem Temperaturmeßverfahren, das von der effektiven Wellenlänge Λο ^ 2^ Gebrauch macht und bei dem die Probe als ein grauer Körper angenommen wird, die Probe kein grauer Körper ist, ergibt sich der durch die Gleichung (237') angegebene Meßfehler. Wenn weiterhin bei der herkömmlichen 2-Farben-Spektrophotometrie, bei der Ja der relative Spektralfaktor der Probe in der Messung spezifiziert ist, der relative spektrale Faktor der Probe gegenüber dem spezifizierten Faktor unterschiedlich ist, resultiert der durch die Gleichung (237) angegebene Meßfehler.

Als nächstes soll Y für die Meßwerte, die man durch eine 4-Farben-Spektrophotometrie erhält, bei der die effektive Wellenlänge des spektralen Faktors durch ein Polynom zweiten Grades ersetzt ist, indem man G(Y) für die linke Seite der Gleichung (232) setzt und m = 4 setzt, mit Y für die Meßwerte verglichen werden, die man bei der 3-Farben-Spektrophotometrie erhält. Dazu wird auf die Fig. 10 verwiesen. Der Unterschied dieser Meßverfahren gegenüber dem 2-Farben-Spektrophotometrieverfahren soll diskutiert werden.

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In der Fig. 10 ist längs der Ordinate G(Y) dargestellt, wie es durch die linke Seite der Gleichung (232) gegeben ist, und auf der Abszisse ist Y aufgetragen. Die Kurve Lq gilt für den Fall der 3-Farben-Spektrophotometrie, und es handelt sich um dieselbe Kurve wie die Kurve L₀ in der Fig. 9. Die Kurve L₇ erhält man für den Fall der 4-Farben-Spektrophotometrie.

Die Kurve L₀ schneidet die Abszis^enachse bei den Punkten Ρλ und P₅. Die Kurve Ly schneidet die Abszissen

achse bei den Punkten P_c

und

Den Abszissenko

ordinaten punkt P₁₂, bei dem die Kurve L₇ ihr Maximum hat, und den Abszissenkoordinatenpunkt P₁-*, bei dem die Kurve G₇ ihr Minimum hat, kann man durch Differentiation von G(Y) nach Y und durch Nullsetzen des Resultats erhalten:

Σ Fi

π»—

(238)

TL

*-l Xl

i/

(239)

Bezüglich der Gleichungen (238) und (239) erhält man die Wurzel der Gleichung (238) für m = 4, d.h. den Wert Y₁ der Abszissenkoordinate für den Minimumpunkt P₁^ und den Wert Y₂ der Abszissenkoordinate für den Maximumpunkt P₁₂, wie folgt:

Xi ftX J

Xt 9 l X t

Xl9t

χ 1 χ 3 9 \ 11

1+ /1-

9 ι 9U χ

1-/1-

Xt9 1 93X1

I (240-1)

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Der Wert Y₁ für den Punkt P₁^ ist größer als der Wert Y₂ für den Punkt P₁₂, der entweder positiv oder Null ist. Unter Berücksichtigung der Gleichung (209') findet man den Punkt P= zwischen den Punkten P₁₂ und P₁,, und der Punkt P^ hat einen größeren Wert als der Punkt P₁^*

Bezeichnet man den Wert für Y beim Minimumpunkt P_Q der Kurve Lq mit Y, und den Wert von Y für den Abszissenschnittpunkt P^ mit Y^ und bezeichnet man darüber hinaus den Wert der Wurzel Y der Gleichung (232), in der entsprechend der 2-Färben-Spektrophotometrie m = 2 gesetzt ist, mit Yc, ergibt sich:

y , = ^X * ⁹ ' ^X * Xi9χλ*

Yi =

Xt? ι λ* X J 9 s X ί

(240-2)

X S P- 2* Jt ί

Y β s=

Xx ? t λ ι λ\

wobei 1 = k ^ 2 und 1 < -~ . Im allgemeinen gilt k ^ ~ ,

und die Meßwerte im Falle der 2-Farben-Spektrophotometrie fallen nicht mit denen zusammenΪ die im Falle der 3-Farben-Spektrophotometrie auftreten. Die Werte von Y, die man aus den Gleichungen (240-1) und (240-2) erhält, kann man als Anfangswerte zum Lösen der Gleichung (225) verwenden.

Als nächstes werden Meßanordnungen zum Ausführen der oben beschriebenen Meßverfahren erläutert.

Die Fig. 11 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Meßanordnung 201 zum Messen des spektralen Emissionsgrads. Die Meßanordnung 201 enthält ein

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spektrophotometrisches System 204 zur spektralen Analyse eines Strahlungsflusses 203 einer thermisch strahlenden Probe (Lichtquelle) 202 in wenigstens -drei Kanälen, eine Umsetzereinrichtung 205 zum Umsetzen des analysierten Strahlungsflusses 204d vom spektrophotometrischen System 204 in einen elektrischen Wert und eine Recheneinheit 206.

Die Probe 202 enthält einen Film 202b, der einen unbekannten spektralen Emissionsgrad hat und der einen perfekten schwarzen Körper 202a unbekannter Temperatur abv,.

deckt.

Das spektrophotometrische System 204 enthält einen Kondensor 204a, eine Vielzahl von Farbfiltern 204b zum spektralen Analysieren des Lichts vom Kondensor in wenigstens drei verschiedene Knäle verschiedener effektiver Wellenlänge und einen Selektionsschalter 204c zum Weiterschalten der Filter 204b.

Die Umsetzereinrichtung 205 enthält einen photoelektrisehen Wandler 205a und einen Analog/Digital-Umsetzer 205b, der deswegen vorgesehen ist, weil bei diesem Ausführungsbeispiel die Berechnungen in digitaler Form vorgenommen werden.

Die Recheneinheit 206 enthält einen Speicher, der die von der Umsetzereinrichtung 205 gelieferten elektrischen Erfassungswerte (Digitaldaten) für die einzelnen effektiven Wellenlängen speichert und in dem auch bekannte Daten gespeichert sind. Zu diesen bekannten Daten zählen die Werte für den spektralen Transmissionsgrad der Filter 204b, der spektrale Gewinn g einschließlich des Gewinns des Analog/ Digital-Umsetzers 205b usw. sowie jede effektive Wellenlänge λ als auch die optischen Konstanten Cj und Cp. Weiterhin enthält die Recheneinheit eine Rechenvorrichtung zum Erhalten einer erforderlichen Anzahl von beispielsweise

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m (M s m "£ 3) elektrischer Erfassungswerte, zum Auslesen von g, X , C₁ und C₂ aus dem Speicher und zum Berechnen des spektralen Emissionsgrads der gewonnenen m elektrischen Erfassungswerte unter einer Bedingung, die vorsieht, daß die Beziehung zwischen der Temperatur der Lichtquelle 202 und m spektralen Emissionsgradwerten so begrenzt ist, daß m - 1 Freiheitsgrade vorgesehen sind.

Mit der oben aufbaumäßig erläuterten Meßanordnung zum Messen des spektralen Emissionsgrads wird der spektrale Emissionsgrad der Probe wie folgt gemessen.

Der Strahlungsfluß 203 von der Probe 202 wird in dem spektrophotometrisehen System 204 spektral analysiert, und jedes dabei entstehende Spektrum 204d wird in der Umsetzereinrichtung 205 in einen elektrischen Wert überführt.

Diese elektrischen Erfassungswerte werden im Speicher für die einzelnen effektiven Wellenlängen gespeichert.

Ein Teil oder alle dieser elektrischen Erfassungswerte werden direkt ausgelesen, und die Temperatur der Probe 202 und die spektralen Emissionsgradwerte der Probe für die einzelnen effektiven Wellenlängen werden unter Anwendung des oben erläuterten 3-Farben-Spektrophotometrieverfahrens, des M-Farben-Spektrophotometrieverfahrens, das von der 3-Farben-Spektrophotometrie Gebrauch macht, des Präzisionsm-Farben-Spektrophotometrieverfahrens oder des M-Farben-Spektrophotometrieverfahrens gewonnen, das von dem Präzisions-m-Farben-Spektrophotometrieverfahren Gebraucht macht.

Da bei der obigen Messung die Bedingungen wie bei der früheren nicht für den spektralen Probenemissionsgrad selbst vorgesehen sind, sondern m - 1 Freiheiten vorhanden sind, und dies eine Annäherung oder Approximation bedeutet, kann dennoch die Temperatur einer Probe mit welchem spektralen

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3Ö31959

Emissionsgrad auch immer, d.h. die Temperatur eines grauen Körpers oder eines gefärbten Körpers, genau gemessen wer- . den. Die Berechnungen kann man dadurch vereinfachen, daß _; man für die Approximation des spektralen Emissionsgrades der Probe eine Gleichung vom (m - 2)-ten Grad benutzt. ^:

Wenn weiterhin die Filter in dem spektrophotometri- ;

sehen System 204 so konstruiert sind, daß man ihre effekti- ^:

ven Wellenlängen so auswählen kann, da~ß eine besondere, ' Γ

durch die oben erwähnte Gleichung 208, 208^f, 208" oder ;

208"' gegebene Beziehung eingehalten ist, wird die arithme- ; tische Verarbeitung, die bereits ohne diese Bedingung vereinfacht ist, in einem sehr hohen Maße vereinfacht. :

Da für den spektralen Emissionsgrad der Probe m - 1 j Freiheiten vorgesehen sind, ist irgendeine spezielle Be- ^! leuchtungslichtquelle für die Messung des spektralen Faktors der Probe vor der Messung ihrer Temperatur, beispielsweise zum Abschätzen des Emissionsgrades durch Messung des Reflexionsgrades, nicht erforderlich.

Ferner ist es durch das erfindungsgemäße Meßverfahren möglich, eine Quasilichtquelle zu identifizieren, d.h. eine Lichtquelle, die dieselbe Farbtemperatur hat.

Schließlich kann auch die Temperatur ohne Beeinträchtigung durch Trübung oder Färbung der Objektivlinse in der Meßanordnung gemessen werden.

Wenn die spektralen Emissionsgradwert verschiedener Substanzen vorher in der Meßanordnung untersucht worden sind, kann man aus der Korrelation zwischen dem bekannten spektralen Emissionsgrad und dem gemessenen spektralen EmissioHSgrad die Zusammensetzung der Probe analysieren.

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Da man weiterhin die thermische Strahlung der Probe ausnützt, kann man die Analyse der Zusammensetzung der Probe, die im Dunkeln gehalten werden muß, gleichermaßen erhalten.

Die Fig. 12 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Meßanordnung 211 zum Messen des spektralen Faktors.

Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel unterscheiden sich eine Probe 212, ein spektrophotometrisches System 214, eine Umsetzereinrichtung 215 und eine Recheneinheit 216 in den folgenden Punkten von den entsprechenden Teilen des vorangegangenen vierten Ausführungsbeispiels.

Die Probe 212 umfaßt einen Gegenstand 212c, der den Strahlungsfluß 212b von der Sonne 212a erhält. Das spektrophotometri sehe System 214 enthält einen Abtastspiegel 214a, einen Motor 214b, der mit einer Drehachse des Abtastspiegels 214a gekuppelt ist, einen Codierer 214c, der mit der Antriebswelle des Motors 214b gekuppelt ist, eine Motorsteuereinheit 214d, die an die Ausgangsseite des Codierers 214c angeschlossen ist und dazu dient, dem Motor 214b ein Antriebssignal in Abhängigkeit von einem Steuersignal von einer Zeitsteuereinrichtung 217 zuzuführen, die das Zeitsteuersignal in Abhängigkeit von einem Antriebs- oder Bewegungsprogramm erzeugt, einen Hauptreflektor 214e, der den vom Abtastspiegel 214a reflektierten Strahlungsfluß 213 reflektiert, einen Hilfsreflektor 214f, der zusammen mit dem Hauptreflektor ein Teleskop bildet, eine Sammellinse 214g, ein Prisma 214h und eine Referenzlichtquelle 214i, die, falls es notwendig ist, zur Diagnose des Innenaufbaus des Systems herangezogen wird.

Die Umsetzereinrichtung 215 enthält photoelektrische Wandler 215a für effektive Wellenlängen entsprechend den vom Prisma 214h analysierten Strahlungsflüssen 214J, Ver-

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- ob -

PIS*»: die einzeln für die einzelnen photoelektrisehen Wandler 215a vorgesehen sind, eine Abtast- und Halteschaltung 215c zum Zwischenspeichern der von den Verstärkern erhaltenen analogen Größen in Form geeigneter Werte sowie eine Kombination aus einem Multiplexer und einem Analog/Digital-Umsetzer 215d zum Umsetzen der abgetasteten Werte der analogen Größen, die von den Verstärkern 215b gleichzeitig gemäß einem Abtastsignal von der Zeitsteuereinrichtung 217 empfangen werden, in Digitalwerte gemäß einem Multiplexersynchronisiersignal von der Zeit-Steuereinrichtung 217 und zum Zuführen der auf diese Weise gewonnenen Digitalwerte zu einem Speicher 216a, der noch beschrieben wird.

Die Recheneinheit 216 enthält den bereits erwähnten Speicher 216a, der die elektrischen Erfassungswerte vom Multiplexer und Analog/Digital-Umsetzer 215d in Adressen speichert, die von der Zeitsteuereinrichtung 217 in Abhängigkeit von der Position des Abtastspiegels 214a und der Wellenlänge angegeben werden, einen voreingestellten Speicher 216b, in dem die effektive Wellenlänge Λ , der Gewinn g, die optischen Konstanten C. und C₂, Referenzdaten betreffend die Sonne 212a und den Gegenstand oder Körper 212c, Daten betreffend die Referenz- oder Vergleichslichtquelle 214i und andere Konstanten betreffend die Meßanordnung gespeichert sind und eine Recheneinrichtung 216c, die die arithmetische Datenverarbeitung entsprechend den oben erläuterten Meßverfahren ausführt, wobei die erforderlichen Werte aus dem Speicher 216a und dem vorab gesetzten Speicher 216b unter der Steuerung von Rechensynchronisiersignalen von der Zeitsteuereinrichtung 217 ausgelesen werden.

Bei dieser Meßanordnung ist der Meßprozeß grundlegend der gleiche wie bei dem vorangegangenen vierten Ausführungsbeispiel, allerdings mit der Ausnahme, daß der Körper oder

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Gegenstand 212c abgetastet wird, daß die analysierten Strahlungsflüsse in parallele Analogwerte umgesetzt werden, die dann in serielle Digitalwerte umgesetzt werden, und daß die gemessenen Werte unter der Steuerung der Taktoder Zeitsteuereinrichtung 217 gewonnen werden.

Die Arbeitsweise und die erzielbaren Wirkungen sind mit Ausnahme von denjenigen, die auf die angegebenen Unterschiede zurückzuführen sind, ebenfalls die gleichen wie beim vierten Ausführungsbeispiel.

Beim fünften Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Sonne durch eine elektrische Beleuchtungslampe zu ersetzen. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die Anordnung so zu konstruieren, daß die Beleuchtungslichtquelle in der Baueinheit enthalten ist, die die Abtastung mit dem Abtastspiegel vornimmt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, anstelle des aus dem Hauptreflektor und dem Hilfsreflektor gebildeten Teleskops ein Gummilinsenteleskop zu verwenden und den Bildkreis variabel zu machen. Im fünften Ausführung sbei spiel kann man noch eine Maßnahme treffen, die man oft in optischen Systemen findet, nämlich unmittelbar vor dem Prisma eine Lochblende vorzusehen, um die Wirkungen der thermometrisehen Strahlung des Systems fernzuhalten.

Die Spektralfaktor-Meßanordnungen der Fig. 11 und können beide zur Messung des spektralen Emissionsgrads in Verbindung mit der geringen Korrektur der arithmetischen Datenverarbeitung, wie bei der Erläuterung der Meßverfahren erwähnt, benutzt werden. Gleichermaßen kann man sie zum Messen des spektralen Transmissionsgrads verwenden.

Die Fig. 13 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem aufgrund der Messung der Temperatur einer Lichtquelle eine Farbkorrektur von einer Farbfernsehkamera vorgenommen wird.

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Die in der Fig. 13 dargestellte, nach der Erfindung ausgebildete Farbkorrekturanordnung enthält die folgenden j relevanten Teile: einen aus einem Hauptreflektor 224e und ' einem Hilfsreflektor 224f bestehenden Objektivspiegel, ' der Strahlung 223 von einem vor ihm befindlichen, nicht i gezeigten Gegenstand oder Vordergrund erhält, dichroitische Spiegel 224j und 224k, die den einfallenden Strahlungs-' fluß 223 im Hinblick auf drei Wellenlängen spektral analy- \ sieren, einen halbdurchsichtigen Spiegel 224m, der teilweise rotes Licht vom dichroitischen Spiegel 224j reflektiert, j eine Linse 230R, die das rote Licht vom halbdurchsichtigen "j Spiegel 224m sammelt, einen Bildfühler 231R» der das rote = Licht von der Linse 230 in ein elektrisches Rotbild-Signal umsetzt, einen halbdurchsichtigen Spiegel 224n, der teil- , weise das vom dichroitischen Spiegel 224k kommende blaue Licht reflektiert, eine Linse 230b, die das blaue Licht : vom halbdurchsichtigen Spiegel 224n sammelt, einen Bild- _: fühler 231B, der das von der Linse 230B kommende blaue Licht in ein elektrisches Blaubild-Signal umsetzt, einen _; halbdurchsichtigen Spiegel 2241, der das vom dichroitischen ; Spiegel 224k kommende grüne Licht teilweise durchläßt, eine Linse 230G, die das grüne Licht vom halbdurchsichtigen Spiegel 2241 sammelt, einen Bildfühler 231G, der das grüne : Licht von der Linse 230G in ein elektrisches Grünbild- : Signal umsetzt, eine Modulations/Demodulations-Korrekturschaltung 232 zum Empfangen der elektrischen Signale von den entsprechenden Bildfühlern 231R, 231B und 231G über i entsprechende Multiplizierglieder 234G, 234B - : und 234R sowie eine Farbbildröhre 233 zum Empfangen eines : elektrischen Videosignals von der Schaltung 232. !

Der Hauptreflektor 224e, der Hilfsreflektor 224f und die optische Bahn vor diesen Teilen in der Farbkorrekturanordnung nach der Fig. 13 entspricht dem Hauptreflektor 214e, dem Hilfsreflektor 214f und der optischen Bahn vor : diesen Teilen .in dem spektrophotometrisehen System nach der ;

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Fig. 12. Die di ehr ο i ti sehen Spiegel 224;} und 224k sowie die halbdurchsichtigen Spiegel 2241 und 224m in der Fig. entsprechen dem Prisma 214h in der Fig. 12. Der Hauptreflektor 224e, der Hilfsreflektor 224f, die optische Bahn vor diesen Teilen, die dichroitisehen Spiegel 224j und 224k sowie die halbdurchsichtigen Spiegel 224m und 224n bilden ein spektrophotometrisches System 224 des sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die photoelektrischen Wandler 225a, 225b und 225c, die den halbdurchsichtigen Spiegeln 224m, 224n und 2241 zugeordnet sind, sowie der Multiplexer und der Analog/ Digital-Umsetzer 225d, der die elektrischen Analogsignale von den photoelektrischen Wandlern in elektrische serielle Erfassungswerte umsetzt, bilden zusammen eine Umsetzereinrichtung der in der Fig. 13 dargestellten Meßanordnung.

Eine Recheneinrichtung 226 empfängt die Erfassungswerte vom Multiplexer und Analog/Digital-Umsetzer 225d und bildet beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 13 die Recheneinheit. Sie führt die oben erläuterte arithmetische Datenverarbeitung aus, um die Temperatur der Probe zu berechnen und um aus dem Verhältnis des analysierten Strahlungsflusses der Probenlichtquelle und des analysierten Strahlungsflusses einer gewünschten Lichtquelle einen Rot-, Blau- und Grünkorrekturwert zu berechnen. Diese Korrekturwerte treten an entsprechenden Ausgangsleitungen 226R, 226B und 226G der Recheneinrichtung 226 auf.

Die Multiplizierglieder 234R, 234B und 234G der betreffenden Bildfühler sind jeweils zwischen dem jeweiligen Bildfühler 231R, 231B und 231G und der Modulations/Demodulations-Korrekturschaltung 232 vorgesehen. In diesen Multipliziergliedern werden die elektrischen Bildsignale' von den einzelnen Bildfühlern mit den Korrekturwerten multipliziert, die über die entsprechenden Ausgangsleitungen der Rechen-

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einrichtung 226 zugeführt werden. Im Falle einer gewünschten Lichtquelle werden elektrische Rot-, Blau- und Grünbildsignale von den Multipliziergliedern für die entsprechenden ■■ Farben, d.h. vom Rot-, Blau- und Grünmultiplizierglied 234R,^j 234B und 234G, über die Leitungen 235R, 235B und 235G der_ ;_ Modulations/Demodulations-Korrekturschaltung 232 zugeführt. Der Farbkorrekturteil befindet sich in der Fig. 13 in einem ; mit unterbrochenen Linien eingezeichneten Kästchen 225. ^!

Wenn man eine Meßanordnung -nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung in eine Farbfernsehkamera einbaut, ist es selbst bei unzureichender Beleuchtung oder Ausleuchtung des Vordergrundgegenstands möglich, eine korrekte Farbbildwiedergabe zu erzielen. Es ist somiü möglich, Farbverzerrungen zu korrigieren, die auf einer unzureichenden Ausbuchtung des Vordergrundgegenstands beruhen. Selbst wenn man ■ beispielsweise den Vordergrundgegenstand bei einer Beleuchtung mit einer niedrigen spektrophotometrisehen Temperatur bei Nacht aufnimmt, d.h. bei einer im-Infrarotbereich lie- :- genden Hauptwellenlänge mit wenig sichtbarem Licht, erzielt man bei der Wiedergabe eine Farbe, die der einer Tageslicht-! aufnahme entspricht. Dies ist der Tatsache zu verdanken, daßj der analysierte Strahlungsfluß der Lichtquelle, die den " Vordergrundgegenstand beleuchtet, durch Messung der Tempera-, tür der Lichtquelle bestimmt werden kann, indem man Gebrauch vom Licht des Vordergrundgegenstands macht, so daß die Diffeirenz der Erfassungswerte gegenüber denjenigen Erfassungswer-'-. ten abgeschätzt werden kann, die man für die drei individu- ^: eilen Wellenlängen erhalten würde, wenn der Vordergrundge- i genstand mit einer Lichtquelle eines gewünschten analysierten Strahlungsflusses angestrahlt oder beleuchtet wäre. ; Das bedeutet, daß man die Farbkorrektur ausführen kann, wenn: man das Verhältnis der beiden Größen bildet und dann aus dem gewonnenen Ergebnis und dem entsprechenden Erfassungswert : das Produkt bildet. \

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4 ««ι m «

Als nächstes soll die Anwendung der oben erwähnten Meßmethode auf einen Fall beschrieben werden, bei dem die analysierten Strahlungsflußbilder auf einem Aufzeichnungsträger zwischenzeitlich aufgezeichnet werden, beispielsweise auf einem photographischen Film, und anschließend arithmetische Datenverarbeitungen vorgenommen werden, die den bereits erläuterten Verarbeitungsvorgängen ähnlich sind, und zwar unter Auslesen der aufgezeichneten Daten.

Die Fig. 14 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Anzeigeanordnung zum Anzeigen des Temperaturverteilungsbildes eines Zusammensetzungsbildes einer Probe zum Gegenstand hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das spektrophotometrische System in einem aus unterbrochenen Linien gebildeten Kästchen 244. Die durch das spektrophotometrische System 244 erhaltenen einzelnen analysierten Strahlungsflußbilder werden auf einem Aufzeichnungsträger 250 aufgezeichnet.

Innerhalb eines aus unterbrochenen Linien gebildeten Kästchens 245 befindet sich eine Umsetzereinrichtung, die die Koordinatenwerte der einzelnen analysierten Strahlungsflußbilder in Erfassungswerte umsetzt.

In einem aus unterbrochenen Linien gebildeten Kästchen 260 ist eine Bildanalyseeinheit, die eine Recheneinheit 246 enthält. Die Recheneinheit 246 berrechnet die gemessenen oder Meßwerte der Temperatur und des spektralen Emissionsgrads für die einzelnen Bildkoordinaten aus den erfaßten Werten von der Umsetzereinrichtung 245. Weiterhin enthält die Bildanalyseeinheit einen Speicher 260a, in dem die Meßwerte gespeichert werden, die man für alle Koordinaten des aufgezeichneten Bildes erhält, eine Empfängerröhre 260b und eine Schnittstelle. 260c, die die einzelnen Meßwerte zur Wiedergabe auf der Empfängerröhre 260b in Videosignale umsetzt.

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Das spektrophotometrische System _244 enthält dichroic tische Spiegel 244a, 244b und 244c, um den Strahlungsfluß B von der nicht dargestellten Probe aufeinanderfolgend zu analysieren, Reflektoren 244d, 244e und 244f, um die analysierten Strahlungsflüsse von den betreffenden dichroitisehen Spiegeln zu reflektieren, Objektivlinsen 244₁, 244₂ und 244^, um die Strahlungsflüsse von den zugeordneten Spiegeln zu fokussieren und eine Objektivlinse 244λ, um den vom dichroitisehen Spiegel 244c durchgelassenen Strahlungsfluß zu fokussieren. Diese analysierten Strahlungsflußbilder von den entsprechenden Objektivlinsen werden auf dem Aufzeichnungsträger aufgezeichnet, beispielsweise zugeordneten photographischen Filmen 25O₂, 25O₃ und 25O₄.

Die Umsetzereinrichtung 245 setzt die analysierten Strahlungsflüsse der einzelnen Koordinatenpunkte der photographischen Filme in elektrische Digitalwerte um, und zwar durch Abtastung aller Koordinaten. Die- umsetzereinrichtung 245 hat den folgenden Aufbau.

Die Umsetzereinrichtung 245 enthält eine Umlauf- oder Drehtrommel 245a mit einem auf ihrem Umfang angebrachten photographischen Film, einen Motor 245b zum Drehen der Trommel 245a, einen Codierer 245c, der auf der Welle des Motors 245b angebracht ist, einen Schlitten 245g, der zum Beleuchten des photographischen Films auf der Trommel 245a eine Lichtquelle 245d, zum Fokussieren des Lichts von diesem Film eine Linse 245e und zum Umsetzen des Lichts von der Linse 245e in elektrisches Signal einen photoelektrischen Wandler 245f trägt, eine Vorschubspindel 245h zum geradlinigen Verschieben des Schlittens 245g, einen Motor 245i zum Drehantrieb der Vorschubspindel 245h, einen Codierer 245j, der auf der Welle des Motors 245i angebracht ist, eine Motorsteuerung 245k, die den Antrieb der Motoren 245b und 245 i steuert, eine Takt- oder Zeitsteuerung 2451,

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die der Motorsteuerung 245k ein Motorantriebsprogrammsignal zuführt, einen Analog/Digital-Umsetzer 245ra, die die Analogsignale für die einzelnen Koordinaten unter der Steuerung eines Abtastsignals von der Zeitsteuerung 2451 in entsprechende erfaßte oder Erfassungswerte umsetzt, und ein Magnetband 245n, das die Digitalwerte vom Analog/Digital-Umsetzer 245m für die einzelnen Koordinaten speichert.

In der Umsetzereinrichtung 245 werden von den Codierern 245c und 2450 Rückführsignale an die Zeitsteuerung 2451 und auch an die Motorsteuerung 245 abgegeben. Die Motorsteuerung 245k erhält ihrerseits das Motorantriebsprogrammsignal. Unter der Einwirkung dieser Steuerungen erfolgt der Vorgang des Abtastens durch das optische Abtastsystem 245d, 245e und 245f so, daß alle Koordinatenpunkte des photographischen Films aufeinanderfolgend abgetastet werden, und zwar durch die Änderung der relativen Position der Drehtrommel 245g, die vom Motor 245b angetrieben wird, der seinerseits von der Motorsteuerung 245k gesteuert wird, und des optischen Abtastsystems auf dem Schlitten 245g, das durch den Motor 245i geradlinig bewegt wird, der seinerseits von der Motorsteuerung 245k angesteuert wird.

Die elektrischen Analogsignale, die durch die Abtastung des photographischen Films in der obigen Weise erzeugt werden, erfahren eine Umsetzung im Analog/Digitalumsetzer 245m. Der Analog/Digital-Umsetzer 245m erhält das Abtastsignal von der Zeitsteuerung 2451 synchron mit der Abtastung der Koordinaten, um eine taktmäßig richtige Umsetzung in die Digitalwerte vorzunehmen. Die Digitalwerte werden dann auf dem Magnetband 245n gespeichert.

Die aus dem Magnetband 245n ausgelesenen elektrischen Erfassungswerte werden zur Verarbeitung der Bildanalyseeinheit 260 zugeführt. Das Temperaturverteilungsbild der Probe oder ihr Zusammensetzungsbild, das man durch Korrelation des spektralen Emissionsgrads und der Temperatur der

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Probe mit den entsprechenden Größen einer bekannten Substanz durch Verarbeitung in der Recheneinrichcung 246 erhält* wird auf der Empfängerröhre 260b dargestellt. ;

Als nächstes soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden, bei dem zum Messen des spektralen : Faktors und der Temperatur einer Probe der Strahlungsflüß von der Probe in M verschiedene Farben analysiert oder zerlegt wird, die Temperatur der Probe aus Kombinationen von Daten für zwei in geeigneter Weise ausgewählte Farben unter den M analysierten Strahlungsflußfarben unter der Annahme, daß die Probe ein grauer Körper ist, berechnet wird und der Graufaktor auf einen farbenthaltenden spek— tralen Faktor korrigiert wird, so daß man für irgendeine der 2rFarben-Kombinationen einen gemeinsamen geeigneten Temperaturwert erhält.

Die analysierte Strahlungsflußverteilung und der Spektralfaktor, die den Charakter oder die Eigenschaft des Strahlungsflusses einer Probe bestimmen, sollen unter Bezugnahme auf die Fig. 15 bis 17 erläutert werden. Die Fig. 15 zeigt eine graphische Darstellung, bei der längs der Ordinate 302 das relative spektrale Strahlungsflußaustrittsvermögen oder die relative spektrale Ausstrahlung M7L und längs der Abszisse 301 die Wellenlänge A auf getragen ist. Mit dem grauen Körper erhält man eine charakteristische Kurve, die nur von der Temperatur unabhängig vom Grauschatten einschließlich von Schwarz bestimmt ist. So erhält man beispielsweise eine Kurve 303 für 3500 ⁰K und eine Kurve 304 für 5000 ⁰K. Wenn somit das Verhältnis MJ1₂/M^ des Ordinatenwertes MTl₁ 306 entsprechend der Wellenlänge Ti,«j 305 zu dem Ordinatenwert MzI₂ 308 entsprechend der Wellenlänge Λ£ 307 bekannt ist, kann man die fragliche Kurve identifizieren, so daß die Temperatur bestimmt werden kann. · -

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Das 2-Farben-Spektrophotometriepyrometer beruht auf diesem Prinzip zum Messen der Temperatur. In der Pig. 16, bei der längs der Ordinate 309 der spektrale Faktor (T Λ aufgetragen ist, erhält man für den spektralen Faktor eines als Probe benutzten schwarzen Körpers eine gerade Linie 310, die parallel zur Abszisse 301 verläuft. Der Ordinatenwert der Kurve 310 ist stets Eins. In diesem Fall entfällt die Messung des spektralen Faktors. Es ist lediglich erforderlich, die Temperatur mit einem 1-Farben-Spektrophotometriethermometer zu messen. Wenn die Probe ein grauer Körper ist, dessen Schatten oder Schattierung nicht klar ist, werden die Temperatur und der spektrale Faktor mit einem 2-Farben-Spektrophotometriethermometer gemessen. Für diesen Fall ist der spektrale Faktor durch eine gestrichelt eingezeichnete Linie 312 gegeben, die parallel zur Abszisse 301 verläuft. Die Kurve 312 kann man somit angeben, indem lediglich der Abstand der Kurve 312 von der Abszissenachse 301 gemessen wird. In der Praxis ist jedoch der spektrale Faktor eine komplizierte Funktion der Wellenlänge, und er ist beispielsweise durch eine Kurve 313 gegeben. Daraus resultiert die Notwendigkeit einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung.

Die Fig. 17 zeigt das Verfahren zum Approximieren des spektralen Faktors einer Probe mit der Anordnung nach der Erfindung. In der Fig. 17 entsprechen die Ordinate 311, die Abszisse 301 und die Kurve 313 den betreffenden Teilen der Fig. 16. In der Fig. 17 stellen die AbszissenkoordinatenwerteA₁ 305, λ₂ 307, λ^ 314 und λ_Μ 315 von λ effektive Wellenlängen für entsprechende M (M ^ 3) Farben dar. Gestrichelt eingezeichnete Linienabschnitte 316, 317, 318 und 319 verlaufen parallel zur Abszissenachse 301, haben jedoch von ihr unbekannte Abstände. Der Abschnitt 316 stellt eine Approximation der Kurve 313 über einen Abschnitt ^^2 ^dar. Der Abschnitt 317 stellt eine Approximation der Kurve 313 über einen Abschnitt "λ^K-z dar, und der Abschnitt.

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318 stellt eine ähnliche Approximation dar. Der geradlinige Abschnitt 319 stellt eine Approximation der Kurve über einen Abschnitt A₂X^ dar.

Die Meßprinzipien, die dem System gemäß der Erfindung unterliegen, bestehen darin, einige der erhaltenen Daten als das Ergebnis der Analyse in M Farben zu kombinieren, beispielsweise die effektiven Wellenlängen Λ-j und A₂, den spektralen Faktor der Probe als durch den Linienabschnitt 316 dargestellt^ zu betrachten und die Temperatur sowie den spektralen Faktor dargestellt durch den Abstand des Linienabschnitts 316 von der Abszissenachse zu bestimmen, und zwar aufgrund der Meßprinzipien des zuvor in Verbindung mit den Fig. 15 und 16 beschriebenen 2-Farben-Spektrophotographiethermometers. Der Abstand des 'Linienabschnitts 317 von der Abszissenachse 301 gestattet in ähnlicher Weise die Kombination der effektiven Wellenlängen und A₃.

Durch Kombinieren der Linienabschnitte in der oben beschriebenen Weise kann man die Kurve 313 approximieren. Da aber die Steigung der Kurve 313 und die. Steigung der Linienabschnitte, die Null ist, nicht zusammenfallen, ändern sich die gemessenen Werte der Temperatur in der Praxis mit der Art der Kombination der effektiven Wellenlängen, so daß für genauere Messungen eine Korrektur bezüglich der Steigung erwünscht ist. Im folgenden soll ein Verfahren aufgezeigt werden, bei dem die Approximationskurve der genannten Linienabschnitte so korrigiert wird, daß sie nicht mehr parallel zu der Abszissenachse verläuft, sondern eine Steigung hat, die derjenigen der Kurve 313 ähnlich ist. Auf diese Weise erhält man denselben gemessenen Temperaturwert für irgendeine beliebige Kombination von Wellenlängen.

Der spektrale Strahlungsflußaustrittsgrad oder die 130 012/0726

spektrale Ausstrahlung eines schwarzen Körpers wird unter Anwendung des Strahlungsgesetzes nach Planck berechnet. Der spektrale Faktor der Probe für die effektive Wellenlänge X_n wird durch die physikalischen Konstanten, den Oberflächenzustand, die Gestalt, die Lage oder Stellung der Probe usw. bestimmt und durch t. ausgedrückt. Der

Transmissionsgrad des Filters und Konstanten, die den Meßinstrumenten eigen sind, beispielsweise die Konstanten von Verstärkern und dgl., werden vorher bestimmt, und sie werden kollektiv oder gemeinsam durch g,, ausgedrückt. Bezeichnet man die Meßdaten mit X-, erhält man eine ReIation gemäß der folgenden Gleichung 301 (wie die Gleichung 220):

Xx « ; C,
* ** * ^l (301)

<- Dabei ist C₁ = 3,74150 χ 10~^1β (in Wm²), C₂ = 0,0143879 (in m*Grad), /\. die effektive Wellenlänge des Filters (in m), T die Temperatur(in ⁰K), g. der spektrale Gewinn (in V-m^/W), £ . der spektrale Faktor, X.. der gemessene Datenwert (in V) und j = 1, 2, .... M.

Um aus der Kombination aus der i-ten und J-ten effektiven Wellenlänge die Temperatur zu gewinnen, wird die folgende Gleichung (302) verwendet:

-8

	Ci	exp ( -	Xk 1U	- 1	(302)
Xl $!	exp (
•

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Dabei ist i = 1, 2, .... M, j = 1, 2, .,..M, ± \ 3 und t_ij ist die Temperatur, die man mit Hilfe der Kombination aus der i-ten und 3-ten effektiven Wellenlänge gewinnt.

Die Gleichung (302) enthält die Unbekannten t^, & . und t.,, so daß sie nicht direkt eine Lösung liefert. Folglich wird das Verhältnis ck/. . zwischen C* und C ^, nämlich

Ah' a -^ (303)

Cl

so angenommen, daß ^. = 1. Wenn man dies tut, enthält die Gleichung (302) nur noch eine Unbekannte' t..., trotz der Tatsache, daß man den absoluten Wert von t* und δ . mit dem 2-Farben-Spektrophotometriethermometer nicht erhalten kann. Hat man jedoch die Temperatur gewonnen, werden der Fehler ΔCk₅ ± des angenommenen Wertes νοηςμ... und der Fehl er At, ± des erhaltenen Wertes von t., durch eine Approximationsbeziehung (304) miteinander in Relation gesetzt: -

Dabei ist

Ct

Angesichts der Fehler in der Gleichung (304) ändert eich der berechnete Wert t^ mit verschiedenen Kombinationen der i-ten und _o-ten effektiven Wellenlänge.

Der durchschnittliche oder mittlere Wert dieser verschiedenen gemessenen Werte wird als Meßwert für die Tem-

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peratur benutzt. Der Mittelwert wird in die Gleichung (301) substituiert, um den gemessenen Wert des spektralen Faktors für jede Wellenlänge zu erhalten.

Während der auf diese Weise gewonnene Mittelwert der Temperatur auf der Annahme beruht, daßöc. . = 1 in der Gleichung (303), ist es möglich, da man eine grobe Kenntnis des Zustands der Verteilung des spektralen Faktors erhalten hat, die Gleichung (302) unter der Annahme eines neuen Wertes fürck . zu lösen, wodurch die Annahme ^s 1 korrigiert wird. Bei wiederholter Ausführung dieser Berechnung konvergieren qsj^ . und t^ . aufeinander, so daß man den genauen gemessenen Wert des spektralen Faktors erhalten kann. Es soll hier bemerkt werden, daß für M = 3» man höchstens zwei verschiedene konvergierte Werte erhalten kann, während für M = k, höchstens drei verschiedene konvergierte Werte erhalten werden. Es ist daher eine Entscheidung zum Aussuchen von einem dieser verschiedenen Werte erforderlich. So werden beispielsweise eine außergewöhnlich hohe Temperatur oder ein außergewöhnlich hoher spektraler Faktor ausgeschlossen. Weiterhin ist es notwendig, den Zustand der Konvergenz vom Zustand der Dispersion von ti, zu erfassen. Unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 18 soll im folgenden ein Beispiel für M = 3 diskutiert werden.

Zunächst werden Berechnungen für die 2-Farben-Analyse bezüglich der drei Kombinationen (^₁, A₂), (/I₂* ^3^ (TL,, \^) von zwei aus drei effektiven Wellenlängen /I und \-z der 3-Farben-Analyse gemacht. Dann werden die Daten X₁, X₂ und X, für die betreffenden effektiven Wellenlängen gekuppelt, und bei einem Schritt 320 wird angenommen, daß der spektrale Faktor durch die Liniensegmente 316, 317 und 319 in Fig. 17 gegeben ist. Nach der folgenden Gleichung (305) ist:
«« = «» « «ii - 1 ⁽³⁰⁵⁾

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_₁₀₀_ 3031953

In einem nachfolgenden Schritt 321 wird die Gleichung

(302) gelöst, um t₁₂> ^£3 ^unci *31 ^zu erhalten. Im folgenden Schritt 322 werden die mittlere Temperatur und Dispersion gewonnen. Wenn man beispielsweise zum Berechnen der mittleren Temperatur das arithmetische Mittel heranzieht, ist die mittlere Temperatur durch die folgende Gleichung gegeben:

si [ , 4.. . , ν (306)

Die Dispersion ist durch die folgende Gleichung gegeben:

S =·; { ( -=-—1 ) + C-I-1) + (—-I) } (307)

⁰ t t t

Im folgenden Schritt 323 erhält man fc*, to ^unci £3 durch Substitution von Έ in die Gleichung (301).

Im nächsten Schritt 324 wird geprüft, ob die Dis-

2
persion S hinreichend klein ist oder nicht. Falls sie hinreichend klein ist, erfolgt eine Ausgabe 325. Falls

2
die Dispersion S nicht hinreichend klein ist, wird zu einem Schritt 326 übergegangen, bei demc^.. auf der Grundlage von c ^, C₂ undo, neu angenommen wird, ^enri das, was man durch Substituieren von E-j, £₂ ^unc* £3 *ⁿ ^^e Gleichung (303) erhält, direkt in dieserAnnahme verwendet wird, ergibt sich keine weitere Konvergenz. Folglich gilt, da Q^j j. benutzt wird:

^a Xt ^β "t* ^Ä 2 ⁽I⁺«^ ····· (308)

Aus der Relation der Gleichung (303) ergibt sich noch:

⁸¹

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Beim Schritt 326 wird auch noch die Richtung der Konvergenz durch Beobachtung der Werte für Έ, £_Λ, to» &·* und S bestimmt. Ist die Richtung nicht geeignet, wird Oi₁SJ. in geeigneter Weise angenommen, und zwar ohne die Beschränkungen der Gleichungen (308) und (309).

Mit dem auf diese Weise erhaltenen, verbesserten Annahmewert vonC^. . kehrt man zum Schritt 321 zurück, um die Berechnungen zu wiederholen. Auf diese Weise werden die Berechnungen wiederholt, bis man als Ausgabe 325 die genauen Werte der Temperatur und des spektralen Faktors erhält. Die folgende Methode ist eine Alternative zum Gewinnen VOnOO₁- aus den Gleichungen (308) und (309).

Durch Ausführen der Berechnungen zum Erhalten von £. und & · durch Substituieren des beim Schritt 321 erhaltenen t^ in die Gleichung (301) erhält man für jedes 6\j, p-p und ζ-χ zwei verschiedene Werte. Diese beiden Werte werden gemittelt. <Λ/. - erhält man unter Verwendung der Gleichung (303), und nimmt eine Multiplikation mit einer Konstanten vor, beispielsweise um λ? '^2.3 ' ^31 ⁼ ^ zu genügen, um einen neuen Annahmewert für c^ . zu· erhalten.

Die Meßanordnung zum Ausführen des oben beschriebenen Meßverfahrens kann im wesentlichen die gleiche Konstruktion wie das in der Fig. 11 gezeigte, vierte Ausführungsbeispiel haben. Beim vierten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 11 ist allerdings m = 2, und die Recheneinheit enthält einen Speicher, in dem das System oder die Anordnung betreffende Werte gespeichert sind, nämlich Wellenlängen, der spektrale Gewinn und optische Konstanten C₁ und C«. Ferner enthält die Recheneinheit eine Recheneinrichtung, die aus den Meßdaten für zwei in geeigneter Weise kombinierten effektiven Wellenlängen die Temperatur berechnet, und die berechneten Daten werden im Speicher gespeichert.

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Diese Berechnung wird für verschiedene Kombinationen von zwei effektiven Wellenlängen wiederholt. Weiterhin bestimmt die Recheneinrichtung den spektralen Emissionsgrad aus den gegenseitigen Beziehungen der Rechenergebnisse für die verschiedenen Kombinationen.

Wenn man das Strahlungsgesetz nach Wien auf die ; Berechnung der thermischen Strahlung der Probe anwenden kann, sind die Berechnungen in den Schritten 320 und 321 in der Fig. 18-die gleichen wie bei dem herkömmlichen 2-Farben-Spektrophotometriethermometer. Es steht außer Frage, daß man die Berechnungen mit den elektrischen Si-. gnalen entweder mit einer digitalen oder einer analagen Anordnung ausführen kann, wenn die Berechnungsformeln bekannt sind. Die digitale Anordnung hat den Vorteil, daß sie selbst komplizierte Berechnungen mit einem einfachen Aufbau ausführen kann. Nachteilig ist demgegenüber, daß die Berechnungen langsam vonstatten gehen. Die analoge Anordnung liefert eine schnelle Antwort und hat die Fähigkeit, die Berechnungen kontinuierlich vorzunehmen.' Sie zeigt jedoch einen komplizierten Aufbau.

Für die Meßanordnung kann man eine digitale oder eine analoge Rechenanordnung auswählen. Zum Aufbau der Recheneinrichtung können existierende elektronische Baueinheiten benutzt werden. _

Die Fig. 19 zeigt ein Schaltbild einer Anordnung, ] die von einer analogen Verarbeitungseinrichtung Gebrauch macht. Diese analoge Verarbeitungseinrichtung kann die in der Fig. 18 gezeigte digitale Verarbeitungseinrichtung ersetzen, wenn man die thermische Strahlung der Probe durch das Strahlungsgesetz nach Wien approximieren kann. Im folgenden soll das System nach der Fig. J 9 im Vergleich mit dem System nach der Fig. 18 erläutert werden.

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Mit der in der Fig. 19 gezeigten Schaltungsanordnung erhält man die Temperatur für zwei 2-Farben-Kombinationen Ot₁, A₂) ^aA U₂, %) ^{von drei} gemessenen Werten X₁ 332c, X₂ 332d und X₃ 332e für die betreffenden effektiven Wellenlängen X₁, "λ₂ undX^. Die Berechnung der Kombination (^, ^₁). ist weggelassen, um die Schaltungsanordnung zu vereinfachen.

Wenn man anstelle des Strahlungsgesetzes nach Planck das Strahlungsgesetz nach Wien verwendet, wird anstelle der Gleichung (301) die folgende Gleichung (310) benutzt:

(310)

wobei C₁, C₉, λ,, T, g,, ξ λ und X. die gleiche Bedeutung

I tL J OO O

wie in der Gleichung (301) haben.

Übertragungselemente 321a und 321b entsprechen dem Schritt 321 in Fig. 18. Die der Gleichung (302) entsprechende übertragungsfunktion ist wie folgt gegeben:

-C?

-5

-Ct ·

oder

. ⁽ Π - Γι

wobei ct. . = -^- mit. i = 1 and j = 2 für das Übertragungselement 321a und i = 2 und j = 3 für das Übertragungselement 321b.

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Das Übertragungselement 321a erzeugt t₁₂ 335a, und ... das Übertragungselement 321b erzeugt t,,, 335b.

Ein Übertragungselement- 322a entspricht dem Schritt 322, und es erzeugt die mittlere Temperatur Έ 325a. Die Übertragungsfunktion für das Übertragungselement 322a entspricht der Gleichung (306) und ist wie folgt gegeben:

'1*1 (t»+t_:j ) (312)

üb.ertragungselemente 323a, 323b und 323c entsprechen dem Schritt 323 und sie erzeugen die entsprechenden spektralen Faktorwerte £^ 325b, C₂ 325c und £■* 325d. Die Übertragungsfunktion entsprechend der Gleichung (301) ist durch die Gleichung (310) gegeben und kann in die folgende Form transformiert werden:

JbLiL exp (-—*) ....... (31O-a)

Ein Übertragungselement 326a entspricht dem Schritt 326, und es berechnet tfv. * entsprechend der Gleichung (308). Dem Übertragungselement 326a wird der Anfangswert Oo 337 als (χ,. ^ zugeführt, und von einem Entscheidungssteuerelement 324a wird aufgrund eines Steuersignals 338 entweder der berechnete Werto^ . oder der Anfangswert & 337 ausgewählt. Das Element 326a erzeugt den spektralen Faktor ⁰^a =<^₂_ 336.

Das Entscheidungssteuerelement 324a überprüft, ob *12 33i5a und t^ 335b dicht beim selben Wert sind. Wenn ! die beiden Werte dicht beieinander sind,- erzeugt es ein Steuersignal 338 zum Trennen der Schaltung zwischen der AnfangswerteingabeOO 337·und der Spektralfaktorausgabe 336. Zur Zeit des Startens erzeugt es auch ein Steuersignal 338 zum Verbinden der Schaltung zwischen der Anfangswerteinga-

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be 337 und der spektralen Emissionsgradausgabe 336.

Wie bereits erwähnt, wird die Konvergenz mehrfach bewertet. Das bedeutet, daß die Konvergenz in Abhängigkeit von der Art des Gebens des Anfangswertes Oj 337 verschiedene Werte annimmt. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedenartige Werte von OKj 337 zu präparieren, die dann beim Startvorgang 339 in geeigneter Weise ausgewählt werden können.

Die Gleichung (311) wird grundsätzlich in der Recheneinrichtung für das 2-Farben-Spektrophotometriethermometer herangezogen.

Die folgende Erläuterung betrifft einen Fall, bei dem die Probe von einem Beleuchtungslicht angestrahlt wird, so daß die Messung der Temperatur und des spektralen Faktors durch das oben erwähnte Verfahren schwierig ist. Während man in einem solchen Fall die Messung durch ein Mehrfach-Lichtquellen-Meßverfahren ausführen kann, die die das Beleuchtungslicht emittierende Lichtquelle zum Gegenstand der Messung selbst macht, wo die relative spektrale Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts getrennt gemessen oder angenommen werden kann, wird gemäß der Erfindung ein Einzellichtquellen-Meßverfahren zum Ausführen der Messung bezüglich einer beleuchteten Probe vorgenommen. Dieses erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, daß zusätzlich zur Messung der Temperatur und des spektralen Emissionsgrads gleichzeitig der spektrale Reflexionsgrad gemessen werden kann, und zwar unter der Annahme, daß der spektrale Emissionsgrad und der spektrale Reflexionsgrad unabhängige Werte annehmen können. Bei dem Jetzt betrachteten Verfahren bedeutet der Ausdruck "spektraler Emissionsgrad" die gesamte spektrale Charakteristik aller Dinge, die von der Probe bis zum Meßinstrument den Lichtweg bilden, und zwar für den Fall einer thermisch strahlenden Probe.

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Dar Ausdruck "spektraler Reflexionsgrad" soll ebenfalls die gesamte Charakteristik aller Dinge umfassen, die den Lichtweg von der Beleuchtungsstrahlungsquelle bis zum Meß- : instrument bilden. Das reflektierte Licht kann somit Streu- : licht enthalten, das auf die Streuwirkung von Wassertröpfchen in der Lichtbahn zurückzuführen ist, d.h. Licht, das nach der Reflexion durch die Probe das Instrument nicht erreichen mag.

Die Prinzipien, die in diesem Foil der Messung zu- " j grundeliegen, sollen an Hand der Fig. 20 veranschaulicht ; werden. Die Fig. 20 zeigt die relative spektrale Strah- \ lungsflußintensität des Beleuchtungslichts und die relative spektrale Ausstrahlung des schwarzen Körpers.. In der Graphik nach der Fig. 20 ist auf der Ordinate 402 die relative spektrale Ausstrahlung M^ und die relative spektrale Strahlungsflußintensität E^ aufgetragen, und auf der Abszisse 401 ist die effektive Wellenlänge λ. "aufgetragen. Die relative spektrale Ausstrahlung oder das relative spektrale Strahlungsflußaustrittsvermögen des schwarzen Körpers ist durch eine Kurve 403 .dargestellt, die man durch Berechnun- _; gen mit Hilfe des Strahlungsgesetzes nach Planck erhält.. v... Die relative spektrale Strahlungsflußintensität der Be-_ „ ^: leuchtungsquelle ist durch eine Kurve 404 dargestellt, die ^: nicht dem Strahlungsgesetz nach Planck gehorcht. Beispiele für ein solches Beleuchtungslicht sind das Sonnenlicht und Licht von einer fluoreszierenden Lampe. Werte X^, /^₂ und Λζ 405 auf der Abszissenachse 401 stellen die effektiven Wellenlängen der einzelnen Filter dar, die für die spektrophotometrische Messung verwendet werden. Bei dieser Art von spektrophotometrischer Messung erhält ~man· die Kurven 403 und 404 nicht durch kontinuierliche Messung bezüglich der Wellenlänge, sondern durch Auftragen von Ordinatenwerten, die einzelnen Wellenlängenwerten entsprechen, beispielsweise Punkte 407 und 408 auf geraden Linien 406, die parallel zur Ordinatenachse 402 verlaufen. :

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Die verteilten Werte in der Kurve kann man mit der Meßanordnung nach der Erfindung messen, oder sie können getrennt gemessen werden. Wenn die Messung unter Beleuchtungslicht ausgeführt wird, wirkt die Spektrophotometrie auch als ein Mittel, das es gestattet, daß nur das Beleuchtungslicht auf das Meßinstrument fällt und gemessen wird. Wenn die Messung bezüglich einer Probe vorgenommen wird, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, wird das Sonnenspektrum auf-der Grundoberfläche gemessen. Wenn das Beleuchtungslicht eine thermische Strahlung ist, wird kein Licht gemessen, aber die relative spektrale Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts wird durch Berechnungen erhalten, und zwar durch Messen der Temperatur des Strahlungsflusses mit einem Thermopaar oder dgl. Es wird bevorzugt, daß die relative spektrale Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts an einer Stelle gemessen wird, die möglichst nahe bei dem Ort ist, wo sich die Probe befindet. Wenn ein relativer Wert des /spektralen Reflexionsvermögens der Probe vorher bekannt ist, bevorzugt man, diesen relativen Wert in die relative spektrale Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts aufzunehmen.

Unter Berücksichtigung der obigen Betrachtungen ist die relative spektrale Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts für die effektive Wellenlänge^·., d.h. die Kurve 404 in der Fig. 20 definiert durch: C^λ^"" ·θ., wobei C₁ den gleichen Wert wie das C₁ in der Gleichung (401) hat, die noch beschrieben wird. Die Gewichtung Θ, der relativen spektralen Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts ist von einem streuenden oder dispersiven Charakter, und die Kurve 404 hat somit Berge und Täler.. Weiterhin ist die Gewichtung Q^ so bestimmt, daß sich der spektrale Reflexionsgrad f der Probe möglichst glatt ändert. Der wahre spektrale Emissionsgrad, der mit O bezeichnet ist, ist gegeben durch:δ = vh. Wenn der spektrale Emissionsgrad der Probe nicht bekannt ist, wird

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h = 1 gesetzt. Wenn er bekannt ist, wird dieser Wert als h eingesetzt. Der spektrale Emissionsgrad der Probe ändert sich in einigen Fällen glatt und ruhig mit der Wellenlänge, wohingegen in anderen Fällen unregelmäßige Änderungen auftreten, beispielsweise bei Dampf. Im zuletzt genannten Fall kann man die Messung durch geeignete Auswahl der effektiven Wellenlänge des Filters oder des M-Farben-Spektrophotometrieverfahrens auf der Grundlage des m-Farben-Spektrophotometrieverfahrens unter Beleuchtung einfacher machen. Selbst in einem solchen Fall wird.... der Wert von h benutzt, um die Wirkung der noch verbliebenen Hügel und Täler so klein wie möglich zu machen. Der Charakter von h hängt eng mit der Farbe oder Färbung zusammen. Der Charakter von ν ist eng mit einer Zusammen- . setzung aus der Helligkeit und der Farbe verbünden. Folglich ist ν eine Funktion, die sich glatt und ruhig mit der effektiven Wellenlänge ändert. In der Analysieranordnung gemäß der Erfindung wird ν als eine unbekannte Funktion behandelt.

Gemäß der Erfindung sind Anordnungen zum Gewinnen der Temperatur, des wahren spektralen Emissionsgrads und des wahren spektralen Reflexionsgrads einer Probe vorgesehen. Mit diesen Anordnungen' wird der wahre spektrale Reflexionsgrad absolut bestimmt, und zwar zusammen mit Daten zum Bestimmen von Θ., wenn man einmal den spektralen Reflexionsgrad J erhalten hat.

Wenn ν vorliegt, kann man den wahren spektralen Emissionsgrad £ unter Verwendung des zuvor bekannten h absolut erhalten. Das Hauptziel der Analyseeinrichtung der Meßanordnung nach der Erfindung ist somit die Gewinnung der Temperatur T und auch von ν und jp bzw. des spektralen Emissionsgrads und des spektralen Reflexionsgrads.

Das auf das Meßinstrument fallende Licht kann gemäß der Erfindung zusammengesetztes Licht sein, das auf der

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Kombination der thermischen Strahlung einer Probe und Reflexion von einem Beleuchtungslicht beruht. Die thermische Strahlung einer Probe ist diejenige Strahlung, die das Ergebnis der Verzerrung der Schwarzkörperstrahlung der Kurve 403 infolge des wahren spektralen Emissionsgrads 6 ist. Die Reflexion des Beleuchtungslichts ist die Verzerrung der spektralen Verteilung des Beleuchtungslichts der Kurve 403 angesichts des spektralen Reflexionsgrads ? . Die Fig. 21 zeigt eine graphische Darstellung, bei der auf der Ordinate 409 der spektrale Emissionsgrad ν und der spektrale Reflexionsgrad) und auf der Abszisse 401 die effektive Wellenlänge λ. aufgetragen ist. Eine gerade Linie 411, die durch einen Punkt 410 geht und parallel zur Abszissenachse 401 verläuft, stellt den Zustand dar, bei dem entweder Strahlung oder Reflexion allein vorhanden ist. Eine gerade Linie 412, die parallel zur Abszissenachse 401 verläuft, stellt den Zustand dar, bei dem sowohl Strahlung als auch Reflexion in den selben Proportionen für irgendeine Wellenlänge vorhanden sind. Dieser Zustand wird der Einfachheit halber als Grauzustand bezeichnet, obwohl in Wirklichkeit die Definitionen für h und 0. in Betracht zu ziehen sind. Eine unterbrochene Linie 413 stellt den Zustand dar, bei dem sich die Proportionen der Strahlung und Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge ändern. Da das Kirchhoff'sehe Gesetz zwischen der Strahlung und Reflexion (Strahlung und Reflexion = 1) nicht zutrifft, besteht keine feste Beziehung zwischen ν und y .

Als nächstes wird das m-Farben-Spektrophotometrieverfahren beschrieben.

Bei diesem Verfahren stehen die Temperatur T der Probe und die Meßdaten X. bezüglich der effektiven Wellenlänge Tl^ gemäß der folgenden Gleichung (401) miteinander in Beziehung. Die effektive Wellenlänge % ^ ist nicht die Hauptwellenlänge des Filters. Es wird eine Messung ein-

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schließlich der spektralen Eigenschaften der Linsen und der phütoelektrisQhen Wand_er durchgeführt.

₍₄₀₁₎

wobei C₁ = 3,74150 χ 10"¹⁶ (W-m²), C₂ = 0,0143879 (m-Grad)

j ist die effektive Wellenlänge des Filters in Meter (bekannter Wert), T ist die Temperatur der Probe in ⁰K (unbekannt), g· ist die spektrale Verstärkung oder der spektrale Gewinn, der dem Instrument eigen ist, in V'nr/W (bekannt), v. ist der spektrale Emissionsgrad

I J· _

(unbekannt), hj ist die Gewichtung des spektralen Emissionsgrads (bekannt), γ _i ist der spektrale Reflexionsgrad (unbekannt), O^ ist die Gewichtung der relativen spektralen Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts (bekannt), X₁ ist der gemessene Datenwert in Volt (Eingabe) und i = 1, 2, 3, 4, 5.

Eine Umordnung der Gleichung (401) ergibt:

Yj BV₁H₁-M₁I₁ (402)

Dabei ist:

y.«

j (403)

_ ^h

U , ss Ii (404)

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30.3J959

..-ί'.,.. i'i'S j=A

Y. in der Gleichung (403) ist bestimmt, wann x, eingegeben ist. In Abhängigkeit vom Gegenstand der Messung wird entweder eine 5-Farben-, 4-Farben- oder 3-Farben-Spektrophotometrieanalyse durchgeführt. Diese Spektrophotometrieanalysen werden im folgenden nacheinander erläutert.

(A) Für den Fall, daß sowohl die Strahlung als auch die Reflexion die Eigenschaften eines farbigen oder gefärbten Körpers haben, wird die 5-Farben-Spektrophotometrieanalyse unter Beleuchtung herangezogen. In diesem Fall betrachtet man sowohl den spektralen Emissionsgrad v, als auch den spektralen Reflexionsgradtf^ so, daß er jeweils durch Funktionen der effektiven Wellenlänge Ai' ersten Grades ausgedrückt werden kann, nämlich durch:

^Vi ^{β V}o + V₁J₁ ⁽⁴⁰⁵⁾

(406)

Damit enthalten die Gleichungen (402), (405) und (406) für i = 1, 2, .... 5 insgesamt fünf Unbekannte, nämlich T, Vq, V₁, Rq und R₁. Durch algebraisches Eliminieren von Vq, V₁, R₀ und R₁ aus den Gleichungen (402), (405) und (406) erhält man eine Gleichung (407) mit einer Unbekannten, nämlich allein der Temperatur T:

y r . °i ⁰J _n (407)

J, Jt Ali *— =0

Dabei ist:

2,, = 1, - X, .· (408)

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Aus der Gleichung (404) folgt, daß u_± und u^ in· der Gleichung (407) Funktionen der einzigen unbekannten Temperatur T sind. E₁. findet man in der folgenden Tabelle und ist bestimmt, wenn Y^ d.h. die Eingabe X^, gegeben ist:

Tabelle

_ ^Y3 **5S ^Y4 **43 ^YS

n.„ **3t ^Y2 ,,^31^2^55 ^31^32^4 ^31^42 ^Y5

⁶2 ^21^45*84 **2Γ*43 ⁶A

»16

·*32 ^Υί _t , h\hz ^ΙΙ^κΑδ , ^S3 χ ^Y4 , , ^31^42 ^43x^YB

•25 , _Ä ^V> j Jj? ^j ' a ^ ι ι > ^xT

■*21 M-. *21^Λ45 ^Λ21^Λ45^κ54 ^64 ^σ4 ^I^ ^4 "δ

— ■»* w ^Y1 , ,^31^42^42^53 ^42^53 ^31^42 ^^Υ3 ^31^2*5

*24 ;^ Γ~ τ* +Vi ι ; ; ; ί *ς ;^ Jz

^21^32^45^54 ^32^54 ^21^43 '^3

^*Ag ^Υ1 . /

a= ^*Ag ^Υ1 . / ^43^62 __ ^31^42^62 χΤδ , ^31^52. ^Υ4

_,^42^83 _^32ν^Υ1 _r Λΐ ^31^42^63 . ^43^3 ν^Υ2 ^43 ^YS ^21^84 ^21 *1 ^21 ^21^32^54 ^32^4 ⁶Z ^4 h.

^1^42^83 ^43^53 ^Z ^3 J^

ft. Α#

^21^32^54 ^32*64 ^Z ^64 ⁰A

^Υ2 . ^Υ3

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(B) Wenn der relative spektrale Emissionsgrad für die Strahlung bekannt ist und nur der Anteil bezüglich I der Reflexion unbekannt ist oder die Reflexion die Eigen- ! schäften eines farbigen oder gefärbten Körpers hat, wird die 4-Farben-Spektrophotometrieanalyse unter Beleuchtung ] angewandt.

! Diese Analyse ist für die Messung in einem Fall

j geeignet, bei dem die Temperatur der Probe niedrig ist, j der Anteil der thermischen Strahlung im Vergleich zur I Reflexion niedrig ist und Nachdruck auf der Reflexion liegt.

j Der spektrale Emissionsgrad v^ wird als unbekannte

Konstante betrachtet, und der spektrale Reflexionsgrad f* wird so betrachtet, daß er fähig ist, durch eine Funktion

; ersten Grads bezüglich der effektiven Wellenlänge ausge- : drückt zu werden:

- <\Λ, « Vo ' <⁴⁰⁹>

j ff - R. f R₁Xi ..:."... '(406·)

; - In diesem Fall enthalten die Gleichungen (402), (409) und

(406¹) für i = 1. 2, 3 und 4 insgesamt vier Unbekannte,, näm-

I lieh T, V₀, Rq und R^. Die algebraische Elimination von V_Q, R₀ und R₁ in den Gleichungen (402), (409) und (406') lie-

• fert eine Gleichung (410) mit einer Unbekannten, nämlich ^; nur noch der Temperatur T als Unbekannte:

in -I₃-^₁ ,U₂ -» » » *

♦<■&■«>*-

⁽⁴¹⁰⁾

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~ 114 -

Dabei	ist:	X5-)	Y2	+	X2-X,	'3
		X5-J	Q2	X5-X7	Y4
	Y2	χλ~.	Y5	X5-X2	'4 ■
	O2	XA-1
I k1
^2
*2
[3

(411)

Mit Hilfe der Gleichung (404) sieht man, daß U₁Zu₂, u, und u^ in der Gleichung (410) nur noch Funktionen der einzigen unbekannten Temperatur T sind. K ist bestimmt, wenn Y^, d.h. X^, eingegeben ist.

(C) Wenn der relative spektrale Emissionsgrad der Strahlung und der relative spektrale Reflexionsgrad der Reflexion beide bekannt sind und nur die Anteile der Strahlung und Reflexion unbekannt sind, wird die 3-Farben-Spektrophotometrieanalyse unter Beleuchtung angewandt. Der spektrale Emissionsgrad v. und der spektrale Reflexionsgrad y _i können beide als unbekannte Konstanten ausgedrückt werden:

Vf - Vo " .,. (409¹)

Ϋ\ = Ro (412)

.In diesem Fall enthalten die Gleichungen (402), (409') und (412) für 1=1,2 und 3 insgesamt drei Unbekannte, nämlich T, Vq und R_Q. Die Algebraische Elimination von V₀ und R₀ in den Gleichungen (402), (409') und (412) liefert eine Gleichung mit einer einzigen Unbekannten, nämlich der Temperatur T.
·» It M₄ Ir I« Uo I« I« 'Dt (Al "3

β Q σ α δ a Ο β β '

Aus der Gleichung (404) erkennt man, daß U₁, U₂ und u, in I der Gleichung (413) Funktionen sind, in denen nur noch die ' Temperatur T'-eine Unbekannte 1st.

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Die Temperatur T der Probe kann man erhalten, indem man eine der Gleichungen (407), (410) und (413) benutzt. Die gewonnene Temperatur T wird in die Gleichung (402) substituiert, und es werden 2-dimensionale gleichzeitige Gleichungen betreffend V₁ und ? . gelöst, um den spektralen Emissionsgrad und den spektralen Reflexionsgrad zu erhalten. Dafür werden entweder die Gleichungen (405) und (406), die Gleichungen (409) und (406·) oder die Gleichungen (409') und (412) benutzt. 2-dimensionale gleichzeitige Gleichungen betreffend v. und ?. werden durch geeignete Auswahl von m - 1 Gleichungen aus einer Gruppe von m Gleichungen aufgestellt, die durch die Gleichung (402) für die m-Farben-Spektrophotometrieanalyse vorgesehen sind. Irgendeine Kombination vom m - 1 Gleichungen in Form von gleichzeitigen Gleichungen ergibt die gleiche Antwort.

Als nächstes soll das M-Farben-Spektrophotometrieverfahren (M = 4) unter Beleuchtung betrachtet werden.

Bei der 5-Farben-Spektrophotometrieanalyse kann man, wie bereits erwähnt, die Gleichung (407) verwenden. Messungen kann man ferner unter Benutzung der Gleichung (410) bezüglich vier Farben vornehmen, die in geeigneter Weise aus fünf Farben ausgewählt sind. Unter Benutzung der Gleichung (413) kann man Messungen bezüglich drei Farben vornehmen, die in geeigneter Weise aus fünf Farben ausgewählt sind. Die Meßwerte, die aus diesen verschiedenen Kom-.binationen gewonnen werden, werden miteinander verglichen, und der plausibelste Temperaturwert, spektrale Emissionsgrad oder spektrale Reflexionsgrad wird bestimmt. Die Entscheidung kann man beispielsweise aufgrund des mittleren Wertes treffen, oder man kann einen Wert innerhalb eines Bereiches mit höchster Auftretungsfrequenz in der Meßwertverteilung auswählen. Meßwerte in Bereichen mit niedriger Auftretungsfrequenz beruhen auf einer schlechten Annahme für den spektralen Emissionsgrad oder den spektralen Reflexionsgrad. 13 0 0 12/0726

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Die Fig. 22 stellt einen Fall mit m = 3 und M = 5 dar, d.h. das 5-Farben-Spektrophotometrieverfahren, das von dem 3~Farben-Spektrophotometrieverfahren unter Beleuchtung Gebrauch macht. In der Fig. 22 sind auf der Ordinate 409 der spektrale Emissionsgrad ν und der spektrale Reflexionsgrad J und auf der Abszisse 401 die effektive Wellenlänge 7Ί aufgetragen. Eine unterbrochene Linie 413 stellt die Verteilung von beispielsweise dem spektralen Emissionsgrad ν dar, gleichermaßen wie die unterbrochene Linie 413 in der Fig. 21. Werte A^, λ-₂, \-ζ-, \f^ und Ac auf der Abszissenachse 401 stellen die effektiven Wellenlängen X der betreffenden fünf Farbfilter dar. Eine unterbrochene Linie 414, die parallel zur Abszissenachse 401 verläuft, stellt die Verteilung des·spektralen Emissionsgrads einer Kombination aus den effektiven Wellenlängen /t<| , 7t 2 ^unä^3 dar. In entsprechender Weise stellt eine unterbrochene Linie 415 die Verteilung des spektralen Emissionsgrads einer Kombination aus den effektiven Wellenlängen 7\.2> Λ3 und/I^ dar, ebenso wie eine unterbrochene Linie 416 die Verteilung des spektralen Emissionsgrads einer Kombination aus den effektiven Wellenlängen^ 3» λ. 4 und7tκ darstellt. Eine ähnliche Approximation wird für den. spektralen Reflexionsgrad gemacht. Die Gleichung (413) wird für Jeden Fall benutzt. Die unterbrochenen Linien 414, 415 und 416 bilden in ihrer Gesamtheit eine Treppenstufenkurve, deren Steigung an die der unterbrochenen Linie 413 angepaßt ist. Die Treppenstufenkurve wird verwendet, um die Gewichtung h* des spektralen Emissionsgrads gegeben durch die Gleichung (401) zu korrigieren. Die Berechnungen des 3-Farben-Spektrophotometrieverfahrens unter Beleuchtung werden dann wiederhol't. Durch die Wiederholung dieser Berechnungen kann man die exakten Werte für die Temperatur T, den spektralen Emissionsgrad ν und den spektralen Reflexionsgrad f gewinnen.

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Die Merkmale des M-Farben-Spektrophotometrieverfahrens, das von dem m-Farben-Spektrophotoraetrieverfahren unter Beleuchtung Gebrauch macht, bestehen darin, daß die Auswahl der effektiven Wellenlängen der Filter so erfolgt, daß sie teilweise so verteilt sind, um an die Messung angepaßt zu sein, und daß es selbst in einem Fall möglich ist, bei dem sich der spektrale Emissionsgrad oder der spektrale Reflexionsgrad nicht glatt und ruhig mit der effektiven Wellenlänge ändern, eine treppenstufenartige Messung zu erhalten.

Als nächstes werden Ausführungsbeispiele von Meßanordnungen erläutert, die auf dem oben beschriebenen Meßverfahren beruhen und auf tatsächliche Messungen abgestellt sind.

Die Fig. 23 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel, das von grundsätzlicher Konstruktion ist und bei dem eine Fluoreszenzlampe 417 als Beleuchtungslichtquelle verwendet wird. Eine thermisch strahlende Probe 418 kann von beliebiger Gestalt und Oberflächenbeschaffenheit sein. Licht von der Beleuchtungslichtquelle 417 wird in einem lichtdurchlässigen Mittel 419 in einen Lichtstrahl 420 von einer spektralen Verteilung umgesetzt, die gegenüber der analysierten Strahlungsflußabgabe oder der analysierten Ausstrahlung der Beleuchtungslichtquelle selbst verschieden ist. Der auf das Meßinstrument fallende Lichtfluß 421 ist eine Zusammensetzung aus der Strahlung von der Probe 418 und aus der Reflexion von Licht 420 von der Beleuchtungslichtquelle. Das zusammengesetzte Licht wird von einem lichtdurchlässigen Mittel 450 nahe bei der Probe durchgelassen. Das lichtdurchlässige Mittel 450 ist rauchartig und umgibt die Oberfläche der Probe 418, oder es stellt ein Material dar, das die Oberfläche der Probe abdeckt. Ein Monochromator 422 nimmt eine spektrale Analyse des auf dem Meßinstrument.^einfallenden Lichtflusses 421 vor und liefert für jede effektive Wellenlänge ein einziges Spektrum 423, das auf einen photo-

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elektrischen Wandler 424 fällt und von diesem in eine elektrische Größe 425 umgesetzt wird, die einer Recheneinheit 426 zugeführt wird. In der Recheneinheit 426 sind die Konstanten C₁ und C₂, die effektive Wellenlänge A₁, der dem Meßinstrument eigentümliche spektrale Gewinn g. und die Gewichtung h^ des spektralen Emissionsgrads in der Gleichung (401) gespeichert. Weiterhin enthält die Recheneinheit 426 eine Speichereinrichtung 428, um eine Eingabe zu speichern, die die Gewichtung Θ* der relativen spektralen Strahlungsflußintensität der Beleuchtungslichtquelle 417 darstellt. Diese Intensität erhält man durch getrennte Messung mit einem Meßinstrument 427. Die Recheneinheit 426 erzeugt aus der zugeführten elektrischen Größe 425 einen Meßwert 429 für die Temperatur der Probe 418 und einen Meßwert 430 für den wahren spektralen Emissionsgrad und den wahren Reflexionsgrad der Probe. Dies geschieht durch das oben erwähnte Analyseverfahren. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Filter 422a des Monochromators 422 aufeinanderfolgend mit Hilfe eines Schalters 422b eingeschaltet. Das ankommende Licht fällt somit auf den photoelektrischen Wandler 424, nachdem das Filter 422a und eine dem Filter vorgeschaltete Sammellinse 422c durchlaufen hat.

Obgleich bei diesem Ausführungsbeispiel das getrennte Meßinstrument 427 und die Recheneinheit 426 miteinander verbunden sind, ist es auch möglich, die Gewichtung Θ. der relativen spektralen Strahlungsflußintensität der Recheneinheit 426 von Hand einzugeben.

Die Fig. 24 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zum Messen der Temperatur eines Einkristall-Ausscheidungsabschnitts eines Einkristall-Herstellungsschmelztiegels dient. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Temperatur eines Gräphitschmelztiegels 431, der eine Beleuchtungslichtquelle darstellt, als elektrisches Signal 433 von einem Thermopaar 432 erfaßt. Aus

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diesem elektrischen Signal berechnet eine Recheneinrichtung 434 die Gewichtung Q^ der relativen spektralen Strahlungsflußintensität in der Gleichung (401) und gibt die Gewichtung O. an eine Recheneinheit 426 ab.

Während ein Einkristall 454, der an einer Drehwelle 453 anhaftet, langsam nach oben gezogen wird, wird die von einer Hochfrequenzwicklung 435 erhitzte Schmelze 436 in der Form des Einkristalls 454 ausgeschieden, so daß der Einkristall 454 wächst. Der Schmelztiegel 431 ist gegenüber der Atmosphäre durch ein Gefäß 437 getrennt.

Eine Linse 422d, ein Lichtleitfaserkabel 422e und eine Linse 422f übernehmen zusammen die Rolle' der Linse 422c bei dem Ausführungsbeispiel in der Fig. 23. Ein Filter 422a, ein Schalter 422b, ein photoelektrischer Wandler 424, ein Temperaturmeßwert 429 und Werte 430 für den wahren spektralen Emissionsgrad und den wahren spektralen Reflexionsgrad sind mit den entsprechenden Teilen und Werten der Fig. 23 vergleichbar und haben daher auch die gleichen Bezugszahlen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 23 wird allerdings kein Temperaturfühler verwendet, der in Kontakt mit einem Einkristall-Ausscheidungsabschnitt steht, wie es bei der Fig. 24 für das Thermopaar zutrifft. Da bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel der gesarate Vorgang sehr genau gesteuert werden muß, und zwar durch Feststellung kleinster Änderungen in der Temperatur oder des spektralen Faktors, ist eine herkömmliche optische Messung, die das reflektierte Licht nicht berücksichtigt, unzureichend. Weiterhin j st die Erstarrungszone sowohl geometrisch als auch physikalisch instabil, so daß man den Emissionsgrad oder den Reflexionsgrad nicht als konstant betrachten kann.

Die Fig. 25 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zum Messen der Temperatur und der Verteilung des spektralen Emissionsgrads und des spektralen Re-

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flexionsgrads eines lebenden Körpers 438 während der Operation dient. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält das op- \ tische System einen Strahlenabtaster 439, und zum Meßin- ! strument zählen eine Einrichtung 440 zum Messen .des Be- ; leuchtungslichts sowie eine Referenztemperaturlichtquelle ^:. 441.

Da der lebende Körper 438 Blutspuren zeigen kann und : auch von Körper ab schnitt zu Körperabschnitt eine unter- ■■ schiedliche Farbe hat, sind der spektrale Emissionsgrad
oder der spektrale Reflexionsgrad nicht konstant. Eine Be- ^; leuchtungslichtquelle 417 ist mit Mitteln ausgerüstet, die
die Emission von Licht bei der effektiven Wellenlänge des
Meßinstruments verhindern soll. Diese Mittel sind jedoch
nicht vollkommen. Ein Vergleicherspiegel 439e sendet entweder den Strahlungsfluß 421 von der Probe oder das Beleuchtungslicht 420 oder das Referenzlicht 442 zu einem spektrophotometrischen System 422. Eine Recheneinrichtung 443
speichert Daten betreffend das Referenzlicht 442 und das
Beleuchtungslicht 420. Das Referenzlicht 442 wird benutzt, ; um die genaue Arbeitsweise des Meßinstruments zu überprüfen.; Zum Überprüfen des spektrophotometrischen Systems 422 wird ' beispielsweise nur das Referenzlicht 442 herangezogen. Die
Erfassung der Farbänderung des Abtaststrahls 439 oder die
Einstellung der Anzeige auf einem Empfänger 444 wird durch
Vereinigung oder Kombination von Daten bewirkt, die das ^: Referenzlicht 442 und die das Beleuchtungslicht 420 betref- , fen. Dies ist eine Alternative. Bei dem dargestellten Aus- I führungsbeispiel geschieht die Strahlenabtastung durch
Schwingen eines Spiegels. Insbesondere läßt man einen Ab- ■ tastspiegel 439a in der Richtung eingezeichneter Pfeile ! 439b schwingen, während ein sammelnder Spiegel 439d in
eingezeichneten Richtungen 439c schwingt, die rechtwinklig
zu den zuerst genannten Richtungen ist, so daß die gesamte
Oberfläche der Probe bzw. Des Körpers abgetastet werden
kann. Das Beleuchtungslicht 420 wird durch eine Linse 440a

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geführt und gelangt über ein Lichtleitfaserkabel 440b zum Vergleicherspiegel 439e. Eine Lochblende 422g stellt den Bildkreis oder Bildquerschnitt ein sowie das auf einen photoelektrischen Wandler 424 fallende Licht, um das Licht richtig zu dosieren. Eine Schnittstelle 445 setzt das Ausgangssignal der Recheneinheit 443 in ein Videosignal um, das dann auf dem Empfängerbildschirm 444 wiedergegeben werden kann. Das Filter 422a, der Schalter 422b und die Linse 422c können auf entsprechende Teile in der Fig. zurückgeführt werden.

Während die AusfUhrungsbeispiele nach den Fig. 23» 24 und 25 Beispiele für eine direkte oder unmittelbare (on-line) Datenverarbeitung sind, kann es bei anderen Anwendungen erforderlich sein, die gemessenen Daten über einen Spektrophotographen oder ein Magnetband dem Rechner zuzuführen, beispielsweise in Fällen, bei denen man eine große Anzahl von Daten gleichzeitig erfassen muß, wie bei der Messung einer Flamme eines Verbrennungsmotors oder bei der Messung der Erdoberfläche mit Hilfe eines Flugzeugs.

Im folgenden sollen nach der Erfindung ausgebildete Anordnungen erläutert werden, die eine zentralisierte Steuerung vielfacher Meßpunkte von einem einzigen Punkt aus ermöglichen und auch eine Realzeitsteuerung dieser Meßpunkte mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitsabtastung des Strahlungsflusses von den einzelnen Meßpunkten aus gestatten und darüber hinaus wirksam sind, um mit irgendeinem der erläuterten Meßverfahren die Temperatur und den spektralen Faktor zu bestimmen.

Die Fig. 26 bis 30 zeigen entsprechende Ausführungsbeispiele der Erfindung, die als Vielfachkanal-Strahlungsfluß-Meßinstrumente dienen. Insbesondere zeigt die Fig. ein elftes Ausführungsbeispiel, bei dem es sich um eine

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Vielkanal-Strahlungsfluß-Meßanordnung ohne Monochromator handelt. Die Fig. 27 bis 3o zeigen zwölfte bis fünfzehnte Ausführungsbeispiele, die auf Vielkanal-Strahlungsfluß-Meßanordnungen mit Monochromatoren gerichtet sind.

Das in der Fig. 26 dargestellte, elfte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Abtaster 502, der durch ein Gehäuse 503 begrenzt ist, das von außen kommendes Licht abschirmt. Eine Anzahl (bei dem gezeigten Ausführung sbeispiel zwei) optischer Lichtleitfaserkabeln 505 sind vorgesehen, um den von einer Probe 501 emittierten Strahlungsfluß zu einer Frontplatte 504 des Gehäuses 503 zu führen. Die Lichtleitfaserkabel sind an ihrem einen Ende jeweils mit einer Sonde 506 ausgerichtet, die auf die Probe 501 gerichtet sind. Jede Sonde 506'enthält einen zylindrischen Rahmen 507 mit einem Boden, der mit dem betreffenden Lichtleitfaserkabel 505 verbunden ist. In der Öffnung des Rahmens 507 ist eine'fokussierende Objektivlinse 509 vorgesehen, die den Strahlungsfluß von der Probe 501 auf das Eintrittsende 508 des Lichtleitfaserkabels 505 am Boden des Rahmens fokussiert. Jedes Lichtleitfaserkabel 505 ist an seinem anderen Ende an der Platte 504 so befestigt, daß von diesem Ende der einfallende Strahlungsfluß in das Gehäuse 503 projiziert wird. In dem Gehäuse 503 befindet sich ein Abtastteil 510, und ein Abtastmotor 511 ist auf dem Mittenabschnitt der Platte 504 .befestigt. Das Abtastteil 510 ist mit Hilfe eines Befestigungsteils 513 an einer Welle 512 des Abtastmotors 511 befestigt, so daß es durch den Abtastmotor 511 in eine Drehbewegung versetzt werden kann. Die Austrittsenden 514 der einzelnen Lichtleitfaserkabel 505, die mit der Platte 504 verbunden sind, sind auf der Platte 504 an geeigneten Stellen auf einem Kreis angeordnet, der konzentrisch zur Welle 512 des Motors 511 ist. Die Frontplatte 515 des Abtastteils 510 ist mit einer Kollimatorlinse 516 ausgerüstet, um den vom Austrittsende 514 jedes Lichtleitfaser-

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kabels in das Gehäuse projezierten Strahlungsfluß in einen parallelen Strahlungsfluß umzuformen. Der Abstand zwischen der Mitte der Kollimatorlinse 516 und der Achse der Welle 512 des Abtastmotors 511 ist gleich dem Abstand zwischen der Mitte jedes Austrittsendes 514 der Lichtleitfaserkabel und der Achse der Motorwelle 512, so daß bei der Drehbewegung des Abtastteils 510 jedes Austrittsende 514 in eine der Kollimatorlinse 516 gegenüberliegende Position gebracht werden kann. Innerhalb des Abtastteils 510 befinden sich ein ebener Hauptreflekt'or 517 und ein ebener Hilfsreflektor 518, die den parallelen Strahlungsfluß von der Kollimatorlinse 516 reflektieren. Der Haupt- und Hilfsreflektor 517 und 518 sowie die Kollimatorlinse 516 werden gemeinsam miteinander und mit dem Abtastteil 510 gedreht. Das Abtastteil 510 weist in seiner Rückwand 519 eine Öffnung 520 hinter dem Hilfsreflektor 518 auf, so daß der parallele Strahlungsfluß aus dem Abtastteil 510 austreten kann. Das Gehäuse 503 ist an seiner Rückwand 521 mit einem nach außen vorspringenden Abschnitt 522 ausgerüstet. Ein photoelektrischer Wandler 523 ist in einer Öffnung des nach außen ragenden Abschnitts 522 vorgesehen. Ein Kondensorlinse 524 befindet sich am inneren Eintrittsende des nach außen ragenden Abschnitts 522. Somit wird der parallele Strahlungsfluß vom Hilfsreflektor 518 über die Kondensorlinse 524 auf den photoelektrisohen Wandler 523 fokussiert. Der parallele Strahlungsfluß vom Hilfsreflektor 518 verläuft parallel zur optischen Achse 525 der Kondensorlinse 524, und diese- optische Achse 525 fällt mit der nicht gezeigten optischen Achse des photoelektrischen Wandlers 523 zusammen.

Ein elektrisches Kabel 527 führt vom photoelektrischen Wandler 523 zu einer arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526. Somit können die elektrischen Signale vom photoelektrischen Wandler 523 zur Einheit 526 gelangen. Außerdem führt ein Kabel 528 von der Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 zum Abtastmotor 511, um eine Steuerung der Dreh-

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bewegung des Abtastmotnrs 511 durch die "Reinheit 526 zu gestatten.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des elften Ausführungsbeispiels mit dem oben angegebenen Aufbau erläutert werden.

Der Strahlungsfluß von der Probe 501 wird von der fokussierenden Objektivlinse 509 in jeder Sonde 506 auf das Eintrittsende 508 jedes Lichtleitfaserkabels 505 fokussiert und dann vom Austrittsende 514 jedes Lichtleitfaserkabels 505 an der Gehäusefrontplatte 504 in das Gehäuse 503 projiziert. Wenn die in der Vorderwand 515 des Abtastteils 510 untergebrachte Kollimatorlinse 516 vom Abtastmotor 511 gedreht und in Ausrichtung mit dem Austrittsende 514 eines der Lichtleitfaserkabel 505 gebracht wird, wird der in das Gehäuse 503 projizierte Strahlungsfluß von der Kollimatorlinse 516 in einen parallelen Strahlungsfluß überführt, der dann vom Hauptreflektor 517 und vom Hilfsreflektor 518 reflektiert und durch die Öffnung 520 zur Außenseite des Abtastteils 510 gelangt. Die Kondensarlinse 524 fokussiert dann den Strahlungsfluß auf den photoelektrischen Wandler 523. Der auf den photoelektrischen Wandler 523 treffende Strahlungsfluß wird in ein elektrisches Signal umgesetzt, das über das Kabel 527 zu der arithmetischen Verarbeitungs- und 3ΐβμβΓβ1ηηβΐΐ 526 gelangt. Die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 steuert die Drehbewegung des Abtastmotors 511 über das Kabel 528. Somit wird die Drehbewegung des Abtastteils 510 gesteuert, das an der Welle 512 des Motors 511 befestigt ist. Die Kollimatorlinse 516 wird gemeinsam mit dem Abtastteil 510 gedreht, das von der arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 gesteuert wird, so daß sie aufeinanderfolgend mit den Austrittsenden 514 der betreffenden Licht-! leitfaserkabeln ausgerichtet wird. Somit werden die Strah-i lungsflüsse von den einzelnen Sonden 506 aufeinanderfolgend

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abgetastet und zum photoelektrischen Wandler· 523 übertragen. Die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 steuert die Abtastung des Abtastteils 510 synchron mit der Abtastung der elektrischen Signale, die zu ihr übertragen werden, und berechnet jeweils den Strahlungsfluß von dem entsprechenden elektrischen Signal. Somit kann jeweils die Sonde 506 bestimmt werden, deren elektrischer Strahlungsfluß berechnet wird. Auf diese Weise ist es möglich, momentane Änderungen des auf jede Sonde 506 fallenden Strahlungsflusses zu erfassen und zu messen.

Bei diesem elften Ausführungsbeispiel wird der Strahlungsfluß von der Probe 501 bei Ausschluß von Absorption durch die Linsen usw. über das gesamte Wellenlängenband gemessen. Insofern als keine beträchtlichen physikalischen und chemischen Änderungen von der Messung aus geringfügigen Änderungen der Temperatur und anderer Variabler der Probe resultieren, ist dieses Meßinstrument äußerst nützlich.

Man kann es beispielsweise zur Messung der Vorheiztemperatur von Stahlrohren einsetzen, bevor sie geschweißt werden, und auch zur Messung der Dickeverteilung einer Wärmestrahlen absorbierenden Glasplatte. In dem zuletzt genannten Fall kann man die Glasplatte mit Wärmestrahlen oder dgl. bestrahlen und die Lichtintensität des durchgelassenen Lichts messen. Da der Abtastteil 510 nur mit der Kollimatorlinse 516 und dem Haupt- und Hilfsreflektor 517 und 518 ausgerüstet ist, kann er klein und leicht ausgebildet werden. Man kann daher eine schnelle Drehabtastung und eine hohe Meßgeschwindigkeit bezüglich der Anzahl der Strahlungsflüsse erzielen.

Im allgemeinen ändert sich die Empfindlichkeit des photoelektrischen Wandlers in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Strahlungsflusses, so daß der photoelektrische Wandler selbst die Rolle des Filters über-

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nehmen kann. Dennoch kann man in Reihe mit der fokussierenden Linse 524 ein Filter vorsehen, das nur einen besonderen Wellenlängenbereich des Strahlungsflusses durchläßt.

Die Fig. 27 zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zur spektralen Analyse von Licht dient, das von einer Probe reflektiert wird, die von einer künstlichen Lichtquelle beleuchtet wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ein Abtaster 502, ein Gehäuse 503, eine Frontplatte 504, Austrittsenden 514, ein Abtastmotor 511, ein Abtastteil 510, eine Kollimatorlinse 516, ein Haupt- und Hilfsreflektor 517 .und 518, eine Kondensorlinse 524, ein photoelektrischer Wandler 523, ein elektrisches Kabel 527, eine arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526, ein Kabel 528 und eine Öffnung 520 in der gleichen Weise wie beim elften Ausführungsbeispiel nach der Fig. 26 vorgesehen.

Ferner sind gleichermaßen wie beim elften Ausführungsbeispiel mehrere Lichtleitfaserkabel 505 vorhanden, die mit der Platte 504 verbunden sind. Das eine dieser Kabel ist allerdings ein Referenzlicht-Lichtleitfaserkabel 505a, das mit seinem einen Ende direkt einer Lampe 529, d.h. einer künstlichen Lichtquelle, gegenübersteht. Die anderen Lichtleitfaserkabel 505b (zwei Kabel sind dargestellt) dienen dazu, um von jeweils einer Probe 501 reflektiertes Licht zuzuführen. Weitere Lichtleitfaserkabel 530 (zwei Kabel sind gezeigt) dienen zur Beleuchtung der Proben 501. Zu diesem Zweck sind die einen Enden der Lichtleitfaserkabel 530 gleichermaßen wie das Lichtleitfaserkabel 505a für das Referenzlicht in der Nähe der Lampe 529 angebracht. Die anderen Enden der Lichtleitfaserkabel 530 befinden sich in der Nähe der jeweiligen Probe 501. Beleuchtungslicht-Kondensorlinsen 532 sind jeweils zwischen

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einem Beleuchtungslichtaustrittsende 531 der Lichtleitfaserkabel 530 und der entsprechenden Probe 501 angeordnet. Fokussierlinsen 534 für Reflexionslicht sind zwischen den Eintrittsenden 533 der optischen Lichtleitfaserkabel 505b und der zugeordneten Probe 501 vorgesehen.

Eine Filterplatte 536, die eine Vielzahl von Filtern 535 trägt, ist in einem Monochromator innerhalb des Gehäuses 503 vorgesehen. Ein Monochromatorantriebsmotor 537 ist an einer Rückwand 521 des Gehäuses 503 befestigt. Die Filterplatte 536 ist mit der Welle 538 des Motors 537 verbunden. Die Filterplatte 536 erstreckt sich rechtwinklig zum parallelen Strahlungsfluß vom Hilfsreflektor 518 und zur optischen Achse der Kondensorlinse 524, so daß der parallele Strahlungsfluß vom Hilfsreflektor 518 mit einem Einfallswinkel von Null auf das Filter 535 trifft. Die Filter 535 sind auf der Filterplatte 536 an geeigneten Positionen auf einem Kreis angeordnet, der konzentrisch mit der Welle 538 des Monochromatorantriebsmotors 537 ist und einen vorbestimmten Radius aufweist, so daß die Filter in den Strahlengang des parallelen Strahlungsflusses vom Hilfsreflektor 518 gebracht werden können. Der Monochromatorantriebsmotor 537 ist über ein Kabel 539 mit der arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 verbunden, so daß die Einheit 526 den Drehantrieb des Motors 537 steuern kann.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des zwölften Ausführungsbeispiels mit der oben angegebenen Konstruktion beschrieben werden.

Der Strahlungsfluß von der Lampe 529 wird durch das Lichtleitfaserkabel 505a für das Referenzlicht und die Lichtleitfaserkabel 530 für das Beleuchtungslicht geführt. Der in das Lichtleitfaserkabel 505a eintretende Strahlungsfluß gelangt direkt zur Platte 504 und wird dort in das

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Gehäuse 503 projiziert. Der in die Lichtleitfaserlcabel 530 eintretende Strahlungsfluß wird vom Austrittsende 531 dieser Kabel auf die Kondensorlinse 532 projiziert, die den Strahlungsfluß auf die Probe 501 fokussiert. Das von der Probe 501 reflektierte Licht wird von der Kondensorlinse 534 auf das Lichteintrittsende 533 der Lichtleitfaserkabel 505b fokussiert. Am Austrittsende 514 der Lichtleitfaserkabel 505b wird das Licht in das Gehäuse 503 projiziert.

Der Abtastteil 510 wird wie beim elften Ausführungsbeispiel vom Abtastmotor 511 so angetrieben, daß die Kollimatorlinse 516 des Abtastteils 510 die Austrittsenden 514 abtastet. Jeder abgetastete Strahlungsfluß wird von der Kollimatorlinse 516 in einen parallelen Strahlungsfluß umgeformt, der von dem Hauptreflektor 517 und dem Hilfsreflektor 518 reflektiert wird und über die öffnung 520 zur Außenseite des Abtastteils 510 gelangt. Dieser parallele Strahlungsfluß fällt auf ein Filter 535, das in der Filterplatte 536 vorgesehen ist. Ein spektraler Strahlungsfluß, der nur eine besondere Wellenlängenkomponente enthält, erscheint auf der Austrittsseite des Filters 535 und wird von der Kondensorlinse 524 auf den photoelektrischen Wandler 523 fokussiert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel synchronisiert die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 die Abtastung durch das Abtastteil 510, die Umschaltung der Filter 535 und die Abtastung der vom photoelektrischen Wandler 523 zugeführten elektrischen Signale. Insbesondere wird eine Steuerung des Abtastteils 510 durch Ansteuern des Abtastraotors 511 und eine Steuerung der Umschaltung der Filter 535 durch Ansteuerung des Monochromatorantriebsmotors 537 erreicht. .

Die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 berechnet die spektrale Flußintensität der elektrischen

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"Signale und identifiziert in Abhängigkeit von der Abtastung das von den Proben 501 reflektierte Licht oder das Referenzlicht von der Lampe 529 und identifiziert in Ab hängigkeit vom Schalten der Filter 535 die Wellenlänge in dem analysierten Strahlungsfluß.

Somit kann dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung die spektrale Zusammensetzung oder spektrale Verteilung des von jeder Probe 501 reflektierten Lichts oder des Referenzlichts von der Lampe 529 messen, selbst wenn Jede Probe 501 nicht stabil ist.

Da sowohl die Strahlungsflußintensität aufgrund des reflektierten Lichts von jeder Probe 501 als auch die Strahlungsflußintensität aufgrund des Referenzlichts von der Lampe 529 zu der arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 übertragen wird, besteht ein besonderes Merkmal dieses Ausführungsbeispiels darin, daß man die spektrale Verteilung des reflektierten Lichts von der Probe mit der spektralen Verteilung des Referenzlichts vergleichen kann, und zwar durch Berechnung des Verhältnisses zwischen der Intensität des reflektierten Lichts und der Intensität des Referenzlichts, und zwar in der arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526.

Obgleich bei dem zwölften Ausführungsbeispiel das reflektierte Licht von den Proben 501 gemessen wird, ist es möglich, dieses Ausführungsbeispiel so zu modifizieren, daß das von den Proben 501 durchgelassene Licht gemessen wird.

Bei den Proben 501 kann es sich beispielsweise um Produkte oder Erzeugnisse handeln, die sich auf einem Förderband befinden. Somit kann man dieses Ausführungsbeispiel heranziehen, um eine Erzeugnisfarbkontrolle vorzunehmen, beispielsweise bei einem Lebensmittelherstellungsprozeß,

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wie bei der Sojabohnenverarbeitung, oder man kann das Ausführungsbeispiel als Qualitätsauswählanordnung für Früchte einsetzen.

Anwendungsbereiche findet man auch in der Medizin. So kann man das Ausführungsbeispiel beispielsweise als Diagnosegerät zum Messen des Sauerstoffgehalts des Bluts verwenden. Schließlich kann man auch Patienten überwachen, insbesondere wenn sie an Gelbsucht erkrankt sind.

Die Fig. 28 zeigt ein dreizehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in Sonden, die denjenigen nach der Fig. 27 ähnlich sind, Abtastspiegel verwendet werden, um eine Überwachung über ein möglichst weites Feld .vorzusehen.

Ein Abtaster 502 dieses Ausführungsbeispiels hat im wesentlichen die gleiche Konstruktion wie bei dem vorangegangenen zwölften Ausführungsbeispiel. Der Hauptunterschied besteht darin, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Frontplatte 504 von einem zylindrischen Körper gebildet wird, der einen Boden hat und an seiner Öffnung mit einem Flansch 540 versehen ist. Lichtleitfaserkabel 505 sind mit der Umfangswand 541 des zylindrischen Körpers verbunden. Der Boden 542 der Frontplatte 504 ist mit einem Abtastmotor 511 versehen, und das Abtastteil 510 ist mit einer Kollimatorlinse 516 und einem Reflektor 543 ausgerüstet. Der Abstand der Kollimatorlinse 516 vom Boden 542 ist gleich dem Abstand der Austrittsenden 514 jedes Lichtleitfaserkabels 505 vom Boden 542, so daß die Kollimatorlinse 516 des Abtastteils 510 den einzelnen Austrittsenden 514 zum Zwecke der Abtastung gegenübergestellt werden kann.

Bei diesem Ausführungsbei^spiel sind für jede Sonde

544 (ihr Rahmen ist nicht dargestellt) ein Abtastspiegel

545 und ein Strahlenabtastmotor 546 vorgesehen, um den Ab-

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ϊ V.»

tastspiegel 545 zu schwenken. Die Sonden 544 stehen jeweils einer entsprechenden Probe gegenüber (es ist nur der Strahlungsfluß von der.betreffenden Probe dargestellt). Ein Kabel 547 verbindet jeden Strahlenabtastmotor 546 mit der arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526, so daß die Drehbewegung der Strahlenabtastmotoren 546 von der arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 gesteuert werden können.

Als nächstes soll die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Von.dem Strahlungsfluß, der von jeder Probe emittiert wird und von dem zugeordneten Abtastspiegel 545 reflektiert wird, wird nur derjenige Fluß auf das Eintrittsende 508 des zugeordneten Lichtleitfaserkabels 505 fokussiert, der in die zugeordnete Objektivlinse 509 in einer Richtung eintritt, die parallel zur optischen Achse "der Linse ist. Somit wird nur ein Teil der Probe, der die obige Bedingung erfüllt, hinsichtlich des Strahlungsflusses analysiert. Da aber der Abtastspiegel 545 vom Strahlenabtastmotor angetrieben wird, kann man zur Messung ein weites Feld heranziehen.

Wie beim zwölften Ausführungsbeispiel wird der in jedes Lichtleitfaserkabel 505 eingetretene Strahlungsfluß darin weitergeleitet und wird am Austrittsende 514 des Lichtleitfaserkabels 505 in das Gehäuse 503 projiziert. Die Kollimatorlinse 516 stellt einen parallelen Strahlungsfluß her, der dann vom Reflektor 543 reflektiert wird und nach Durchlaufen eines Filters 535 von der Kondensorlinse 524 auf den photoelektrischen Wandler 523 fokussiert wird..

Die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 steuert die Abtastung des Abtastteils 516 sowie die Umschaltung der Filter 535. Sie steuert ferner die Dreh-

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bewegung jedes Abtastspiegels 545 durch den zugeordneten Strahlenabtastmotor 546. Weiterhin synchronisiert sie die Abtastung des Abtastteils 510, die Umschaltung der Filter 535, die Abtastung der Abtastspiegel 545 und die Abtastung der elektrischen Signale vom photoelektrischen Wandler 523. Die spektrale Strahlungsflußintensität wird von dem .entsprechenden abgetasteten elektrischen Signal berechnet. Die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 identifiziert aus dem Ausmaß der Abtastung des Abtastteils 510 die gerade unter Messung befindliche Sonde 544 und aus dem Ausmaß des Umschaltens der Filter 535 die Wellenlänge des gerade unter Messung befindlichen Strahlungsflusses. Weiterhin identifiziert sie aus dem Ausmaß der Abtastung jedes Abtastspiegels 545 den Bereich der Probe, dem die entsprechende Sonde 544 gegenübersteht. Durch die Verarbeitung von in der obigen Weise erhaltenen Information über den Strahlungsfluß ist es möglich, die spektrale Analyse der Proben über einen großen Feldbereich auszuführen und die Messungen einer Anzahl solcher Proben zusammenzuführen bzw. zu zentralisieren.

Dieses Ausführungsbeispiel ist daher von großem Nutzen, wenn ein weiter Bereich überwacht oder kontrolliert werden soll, beispielsweise die Überwachung des Wachstums landwirtschaftlicher Produkte, der sichere Betrieb von Fabrikhallen, Überprüfung von Auspuffgasen, Überprüfung des Auftretens von Feuer, beispielsweise mit Rauchsensoren.

Die Fig. 29 zeigt ein vierzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zu'm Überwachen des ündzustands einer Reihe von Brennern dient, die in einer Reihe in einem Ofen angeordnet sind.

Brenner 501 bilden die Proben und den Gegenstand der Messung. Den Brennern 501 stehen Sonden 506 gegenüber, die an ihrem einen Ende jeweils mit einem zugeordneten Lichtleit-

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faserkabel 505 verbunden sind. Das andere Ende des Lichtleitfaserkabels 505 ist mit einer Frontplatte 504 verbunden. Filter 535, ein Monochromatorantriebsmotor 537, eine Kondensorlinse 524, ein photoelektrischer Wandler 523 und eine Kollimatorlinse 516 sind in einem Abtastteil 510 eines Abtasters 502 untergebracht. Ein Abtastmotor 511 ist mit einer Vorschubspindel 548 ausgerüstet, die vom Motor gedreht wird. An der Unterseite des Abtastteils 510 befindet sich ein Führungsglied 549 mit einem Gewindeloch, das in Eingriff mit der Vorschubspindel 548 steht. Diese Teile setzen die Drehbewegung der Vorschubspindel 548 in eine Seitwärtsbewegung des Abtastteils 510 um. An der Unterseite des Abtastteils 510 befindet sich ein weiteres Führungsglied 551 mit einem Führungsloch, durch das eine Führungsstange 550 ragt. Die Führungsstange 550, die Vorschubspindel 580 und die Frontplatte 504 erstrecken sich parallel zueinander. Die einzelnen Austrittsenden 514 der optischen Lichtleitfaserkabel 505 sind auf der Platte 504 in geeigneter Weise in einer Reihe angeordnet, die parallel zum Führungsstab 550 verläuft, so daß die Kollimatorlinse 516 den Austrittsenden 514 aufeinanderfolgend gegenübergestellt werden kann, wenn sich das Abtastteil 510 längs der Führungsstange 550 verschiebt. Der Monochromatorantriebsmotor 537 und der photoelektrische Wandler 523 werden zusammen mit dem Abtastteil 510 bewegt, so daß die an die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 angeschlossenen Kabel 527 und 539 hinreichend lang und flexibel sein müssen.

Im folgenden wird die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels erläutert.

Der Strahlungsfluß von jedem Brenner 501 gelangt von der zugehörigen Sonde 506 in das zugeordnete Lichtleitfaserkabel 505 und wird am Austrittsende 514 des Lichtleitfaserkabels 505 bei der Platte 504 nach hinten projiziert.

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Der Abtastteil 510 wird von der Vorschubspindel 548 veranlaßt, eine geradlinige Hin- und Herbewegung auszuführen, so daß die Austrittsenden 514 von, der im Abtastteil 510 vorgesehenen Kollimatorlinse 516 abgetastet werden. Dabei erfolgt der Antrieb der Vorschubspindel 548 durch den Abtastmotor 511. Wenn die Kollinatorlinse 516 in eine Position gebracht ist, daß sie einem Austrittsende 5^4 gegenübersteht, wird der von dem betreffenden Austrittsende 514 projizierte Strahlungsfluß über ein Filter 535 und die Kondensorlinse 524 auf den photoelektrischen Wandler 523 fokussiert. Wie beim zwölften Ausführungsbeispiel steuert die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 den Abtastteil 510 und die Filterplatte 536 und synchronisiert die Abtastung des Abtastteils 510, das Schalten der Filter 535 und die Abtastung der elektrischen Signale vom photoelektrischen Wandler 523. Außerdem berechnet sie die spektrale Strahlungsflußintensität. Auf diese Weise erhält man die spektrale Analyse des Strahlungsflusses von jedem Brenner 501.

Bei dem elften, zwölften und dreizehnten Ausführungsbeispiel sind die Austrittsenden 514 der Lichtleitfaserkabel 505 auf einem Kreis auf der Platte 504 angeordnet. Dadurch ist die Anzahl der mit der Frohtplatte 504 verbindbaren Kabel 505 begrenzt. Beim vierzehnten Ausführungsbeispiel sind die Austrittsenden 514 in einer geraden Linie auf der Frontplatte 504 angeordnet, so daß eine sehr große Anzahl von Meßpunkten vorgesehen werden kann. Erwähnt werden soll auch, daß bekannte Anordnungen zum Überwachen von Brennerflammen durch Erfassen des Flammenbildes für jeden Brenner eine Vielzahl optischer Lichtleitfaserkabel benötigen. Die Abtastung ist daher schwierig. Mit diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.ist es in einfacher und effizienter Weise möglich, den Zündzustand der Flamme durch spektrale Analyse des Strahlungsflusses zu überwachen und eine spektrale Analyse der Flamme vorzu-

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nehmen. Die erwähnten Lichtleitfaserkabel 505 können jeweils aus einem Bündel dünner einzelner Fasern oder aus einer einzigen Faser bestehen, wobei die Fasern mit einem Material ummantelt sind, beispielsweise einem synthetischen Harz. Das geschilderte Ausführungsbeispiel ist besonders gut zum Aufbau eines Vielkanalsystems geeignet.

Die Fig. 30 zeigt ein fünfzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine automatische spektrale Analyse eines chemischen Produkts oder dergleichen vornimmt und den Herstellungsprozeß des Produktes überwacht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Monochromator ein Prisma verwendet.

Das Ausführungsbeispiel enthält einen Abtaster 502 mit einem Abtastteil 510, einem Abtastmotor 511, einem Abtastkabel" 528, einer Vorschubspindel 548, einer Führungsstange 550 und einer Frontplatte 504. In ähnlicher Weise wie bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Vorschubspindel 548, die Führungsstange 550 und die Frontplatte 504 parallel zueinander. Die Austrittsenden 514 optischer Lichtleitfaserkabel 505 enden wie bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel an der Platte 504. Innerhalb des Abtastteils 510 befindet sich eine künstliche Lichtquelle 552, und ein konkaver Oberflächenreflektor 553 ist nahe der Lichtquelle 552 angeordnet, um ihr Licht zu reflektieren.

Vor dem konkaven Oberflächenreflektor 553 befindet sich ein halbdurchsichtiger Spiegel 554, der in Abhängigkeit vom Einfallswinkel das einfallende Licht reflektiert oder durchläßt. Der Abtastteil 510 weist in seiner Vorderwand 515 eine Öffnung 555 auf, durch die vom konkaven Oberflächenspiegel 553 reflektiertes Licht und vom halbdurchsichtigen Spiegel 554 reflektiertes Licht zur Außenseite der Abtastteils 510 projiziert wird. Jedes optische Licht-

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leitfaserkabel 505 ist mit seinem einen Ende mit jeweils einer Probenkammer 556 verbunden. In der Zeichnung ist nur eine Probenkammer dargestellt. In der Probenkammer 556 befindet sich ein Sektor 558a, bei dem es sich um eine kreisförmige Scheibe handelt, deren eine Hälfte eine Spiegeloberfläche hat und deren andere Hälfte durchsichtig ist, so daß ein in die Probenkammer 556 projizierter Strahlungsfluß entweder reflektiert oder durchgelassen wird. Die Sektorscheibe 558a ist nahe beim Eintrittsende 557 des Lichtleitfaserkabels 505 angeordnet. Ein Sektormotor 559a dreht die Sektorscheibe 558a und befindet sich hinter der Sektorscheibe. Eine Probe 501 ist an einer solchen Stelle angeordnet, daß sie von dem durch die Sektorscheibe 558a durchgelassenen Strahlungsfluß bestrahlt wird. Eine Referenzprobe 560 ist an einer solchen Stelle angeordnet, daß sie von dem von der Sektorscheibe 558a reflektierten Strahlungsfluß bestrahlt wird. Ein ebener Reflektor 561a, der zur Reflexion des durch die Probe 501 gehenden Strahlungsflusses dient, ist hinter der Probe 501 angeordnet. Ein ebener Reflektor 561b, der zur Reflexion des durch die Referenzprobe 560 gehenden Strahlungsflusses dient, ist hinter der Referenzprobe 560 angeordnet. Ein weiterer Sektor 558b in Form einer kreisrunden Scheibe, die entweder die von den ebenen Reflektoren 561a und 561b weitergeleiteten Strahlungsflüsse reflektiert oder durchläßt, ist an der gezeigten Stelle in der Probenkammer vorgesehen und mit einem hinter ihr befindlichen Sektormotor 559b verbunden. Die beiden Sektorscheiben 558a und 558b sind so eingestellt, daß die Sektorscheibe 558b das von der Probe 501 durchgelassene und vom ebenen Reflektor 561a reflektierte Licht reflektiert, wenn die Sektorscheibe 558a den vom Probenkammereintrittsende 557 projezierten Strahlungsfluß durchläßt, wohingegen die Sektorscheibe 558b das von der Referenzprobe 56O durchgelassene und vom ebenen Reflektor 561b reflektierte Licht reflektiert, wenn die Sektorscheibe 558a den Strahlungsfluß vom Probenkammereintrittsende 557 re-

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flektiert. Die Sektormotoren 559a und 559b werden synchron in einer solchen Weise angetrieben, daß die beiden Sektorscheiben 558a und 558b die oben erläuterte, aufeinander abgestimmte Bewegung ausführen. Ein Kabel 562 verbindet die Probenkammer 556 mit einer arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 und gestattet es somit der arithmetischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 526, die Drehbewegung der beiden Sektormotoren 559a und 559b zu steuern. Vor der Sektorscheibe 558b ist ein konkaver Reflektor 563 vorgesehen, der das von der Sektorscheibe 558b reflektierte oder durchgelassene Licht reflektiert. Im Abtaster 502 befindet sich ein ebener Reflektor 564, der den vom Austrittsende 514 des Lichtleitfaserkabels 505 bei der Frontplatte 504 in den Abtaster 505 projizierten und vom halbdurchsichtigen Spiegel 554 durchgelassenen Strahlungsfluß reflektiert. Ferner ist ein konkaver Reflektor 565 vorgesehen, der den Strahlungsfluß von dem ebenen Reflektor 564 reflektiert, um einen parallelen Strahlungsfluß vorzusehen. Vor dem konkaven Reflektor 565 ist als Monochromator ein Prisma 566 angeordnet. Ein ebener Reflektor 567 ist in der Nähe des Prismas 566 so angeordnet, daß der von ihm reflektierte Strahlungsfluß wieder in das Prisma 566 eintritt. Der parallel ankommende Strahlungsfluß wird somit von dem Prisma 566 für jede Wellenlänge zweimal dispergiert oder zerlegt. Der für Jede Wellenlänge zerlegte Strahlungsfluß trifft auf einem zugeordneten photoelektrischen Element 568a einer photoelektrischen Elementreihe 568 auf, die als photoelektrischer Wandler dient. Jedes photoelektrische Element 568a der photoelektrischen Elementreihe 568 ist über ein Kabel 569 mit einem Multiplexer 570 verbunden. Das Kabel 569 dient zum Übertragen des elektrischen Signals, das aufgrund des Einfalls der entsprechenden spektralen Strahlungsflußintensität erzeugt wird. Der Multiplexer 570 schaltet die elektrischen Eingangssignale von den photoelektrischen Elementen 568 der Reihe nach durch. Eine arithmetische Verarbei-

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tungs- und Steuereinheit oder Recheneinheit 526 und der Multiplexer 570 sind miteinander über ein Kabel 571 verbunden, über das die Einheit 526 den Durchschaltvorgang des Multiplexers 570 steuert. Weiterhin sind die Einheit 526 und der Multiplexer 570 über ein Kabel 527 miteinander verbunden, über das die elektrischen Signale zu der Einheit 526 übertragen werden, die durch den Schaltvorgang des Multiplexers 570 aufeinanderfolgend ausgewählt werden.

Als nächstes soll die Arbeitsweise des fünfzehnten Ausführungsbeispiels mit der oben erläuterten Konstruktion beschrieben werden.

Das Abtastteil 510 wird durch die vom Abtastmotor 511 angetriebene Vorschubspindel 548 längs der Führungsstange 550 so vorgeschoben, daß die im Abtastteil 510 vorgesehene Öffnung 555 die einzelnen Austrittsenden.514 an der Frontplatte 504 abtastet. Der von der künstlichen Lichtquelle 552 ausgehende Strahlungsfluß wird von dem konkaven Reflektor 553 und dem halbdurchsichtigen Spiegel 554 reflektiert und durch die Öffnung 555 zur Außenseite des Abtastteils 510 geleitet. Wenn die Öffnung 555 einem Austrittsende 514 gegenübersteht, gelangt der über.die Öffnung austretende Strahlungsfluß in das Lichtleitfaserkabel 505. Vom Lichtleitfaserkabel 505 wird der Strahlungsfluß über das Probenkammereintrittsende 557 in die Probenkammer projiziert. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Zustand läßt die Sektorscheibe 558a den vom Eintrittsende 557 kommenden Strahlungsfluß durch. Der Strahlungsfluß durchsetzt die Probe 501 und wird dort teilweise absorbiert. Der von der Probe 501 durchgelassene Strahlungsfluß wird von dem ebenen Reflektor 561a auf die Sektorscheibe 558b reflektiert, die den Strahlungsfluß zu dem konkaven Reflektor 563 reflektiert. Der dort reflektierte Strahlungsfluß wird wiederum von der Sektorscheibe 558b zurück zum ebenen Reflektor 561a reflektiert und durchsetzt erneut die Probe 501. Von der Probe 501 gelangt er dann zurück in das Licht-

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leitfa'serkabel 505. Der aus dem Lichtleitfaserkabel 505 austretende Strahlungsfluß gelangt über die öffnung 555 und durch den halbdurchsichtigen Spiegel 55^· zu dem ebenen Reflektor 564. Von dort wird er zu dem konkaven Reflektor 565 reflektiert und tritt als paralleler StrahlungsCluß in das Prisma 566 ein. Der auf der Rückseite des Prismas austretende, zerlegte Strahlungsfluß wird von dem ebenen Reflektor 567 reflektiert und anschließend nochmals vom Prisma 568 in einen für jede Wellenlänge parallelen Fluß zerlegt. Der auf diese Weise zerlegte Strahlungsfluß wird von dem konkaven Reflektor 565 auf die entsprechend zugeordneten photoelektrischen Elemente 568a der photoelektrischen Elementreihe 568 fokussiert. In einem Betriebszustand, bei dem sich die Sektorscheiben 558a und 558b unter der Einwirkung der Sektormotoren 559a und 559b synchron um 180° gedreht haben, wird der vom Eintrittsende 5_^Γ>7 in die Probenkammer projizierte Strahlungsfluß von der Sektorscheibe 558a zur Referenzprobe 560 reflektiert. Der durch die Referenzprobe 560 durchgegangene Strahlungsfluß wird von dem ebenen Reflektor 561b zu der Sektorscheibe 558b reflektiert, die den Strahlungsfluß zu dem konkaven Spiegel 563 durchläßt. Der dort reflektierte Strahlungsfluß kehrt auf derselben optischen Bahn zum Lichtleitfaserkabel 505 zurück. Auf diese Weise wird der Strahlungsfluß der Referenzprobe 560 gemessen. Die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 steuert die Drehbewegung der Sektorscheiben 558a und 558b über das Kabel 562 und die Sektormotoren 559a und 559b. Ferner steuert die Einheit 526 das Abtastteil 510 über den Abtastmotor 511. Schließlich steuert sie auch den elektrischen Schaltvorgang des Multiplexers über das Kabel 571. Die Einheit 526 sorgt auch für die Synchronisation der Abtastung der Sektorscheiben 558a und 558b, der Abtastung des Abtastteils 510, des Durchschaltens des Multiplexers 570 und des Abtastens der elektrischen Signale, die vom Multiplexer 570 über das Kabel 527 der Einheit 526 zugeführt werden. Die arithmeti-

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sehe Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 berechnet den spektralen Strahlungsfluß für jedes abgetastete elektrische Signal. Schließlich identifiziert sie noch an Hand des Ausmaßes der Abtastung des Abtasters den gerade gemessenen Strahlungsfluß von der Probenkammer 556, bestimmt an Hand des Ausmaßes der Abtastung der Sektorscheiben 558a und 558b, ob gerade die Probe 501 oder die Referenzprobe 560 gemessen wird, und identifiziert an Hand des Durchschaltvorganges des Multiplexers 570 die gerade gemessene Wellenlänge des spektralen Strahlungsflusses- Durch Vergleich der spektralen Eigenschaften der spektralen Strahlungsflüsse von der Probe 501 und von der Referenzprobe 560 kann man eine Analyse der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Probe 501 gewinnen. Wenn die einzelnen Probenkammern -556 beispielsweise bei der Herstellung chemischer Pro- , dukte oder dergleichen verschiedenen Herstellungsstufen des Produktes zugeordnet sind und in entsprechender Weise die Proben 501 Proben der einzelnen Herstellungsschritte sind, kann man durch die beschriebene spektrale Analyse den Herstellungsprozß in Real- oder Echtzeit überwachen. Die photοelektrische Elementreihe 568 kann man in dieser Ausführungsform durch ein einziges photoelektrisches Element ersetzen und unmittelbar davor einen Spalt anordnen, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß der spektrale Strahlungsfluß durch Drehabtastung des Prismas 566 auf den Spalt fokussiert wird. Obgleich in dem erläuterten Ausführungsbeispiel ein Filter und ein Prisma als Monochromator verwendet werden, ist es möglich, diese Teile durch Repliken, d.h. Beugungsgitter, dichroitische Spiegel usw. zu ersetzen, und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung.

Weiterhin ist es möglich, für eine Anzahl von Wellenlängen Filter vorzusehen und für die einzelnen Proben geeignete Filter zu benutzen, so daß die Messungen für eine sehr große Anzahl verschiedener Proben vorgenommen werden können.

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Obgleich bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel die Lichtleitfaserkabel 505 ausschließlich im erfindungsgemäßen System verwendet werden, ist es auch möglich, ein gemeinsames, einziges Lichtleitfaserkabel 505 für die .Übertragung von Daten im erfindungsgemäßen System und für die Übertragung anderer Information benutzen, und zx^ar durch Einbeziehen eines Zeitaufteilungs- oder Zeitraultiplexsystems, wobei dann die arithmetische Verarbeitungs- und Steuereinheit 526 geeignete Zeiten zur Verarbeitung der Daten des erfindungsgemäßen Systems und geeignete Zeiten zur Verarbeitung anderer Daten zuordnet, wodurch auch ein Übersprechen vermieden wird.

Als nächstes soll ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Durchführen einer spektralen Analyse beschrieben werden, bei der man konstante Wellenlängenverhältnisse der analysierten Strahlungsflüsse erhält, und zwar durch Aufrechterhalten der Beziehung zwischen den Wellenlängen der spektralen Strahlungsflüsse mit dem selben Interferenzfilter. Wenn man bei der 3-Farben-Spektrophotometrieanalyse die Probe als einen grauen Körper betrachtet, tritt, wie bereits weiter oben erläutert, kein Fehler auf, wenn die drei Wellenlängen so eingestellt werden, daß sie den fol-

1111 genden Bedingungen genügen: = -r ~— und

Al λ.2 3-2 Λ· 3

λ j = »ο . Das bedeutet ^₂ = 2 "X^. Mit dem folgenden spektralen Analysesystem kann man eine solche Auswahl der Wellenlängen leicht treffen.

Die Fig. 31 zeigt ein sechzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das unter Verwendung von Schnittfiltern eine grobe Spektralanalyse ausführt.

Bei der gezeigten Darstellung fällt ein Strahlungsfluß 601 auf ein spektrales Analysesystem 620. Eine Objektivlinse 603, auf die der Strahlungsfluß 601 trifft, ist in einem Gehäuse (nicht gezeigt) vorgesehen, in dem das

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spektrale Analysesystem 602 enthalten ist. Eine Schnittfilterscheibe 605 trägt eine Vielzhal von Schnittfiltern 604, um eine grobe Analyse des Strahlungsflusses zu bewirken, der von der Objektivlinse 603 in das Gehäuse projiziert wird. Die Schnittfilterscheibe 605 erstreckt sich senkrecht zur optischen Achse der Objektivlinse 603.

Die Schnittfilter 604 lassen nur ein Band einer Vielzahl von Durchlaßbändern verschiedenen Grads von Interferenzfilmfiltern durch und blockieren alle übrigen Bänder des spektralen Strahlungsflusses. Für jedes Interferenzfilmfilter ist eine Vielzahl von Schnittfiltern 604 auf der Schnittfilterscheibe 605 vorgesehen. Zwischen der Objektivlinse 603 und der Schnittfilterscheibe 605 befindet sich eine Kollimatorlinse 606, die den von der Objektivlinse 603 kommenden Strahlungsfluß in einen«parallelen Strahlungsfluß umformt, der auf der Schnittfilterplatte 605 unter einem rechten Winkel auftrifft. Die optische Achse der Kollimatorlinse 606 fällt mit der optischen Achse der Objektivlinse 603 zusammen. Ein Mechanismus zum schrittweisen Drehen der Schnittfilterscheibe 605 enthält einen Motor 607, ein Antriebsrad 608 und ein Treibrad 609. Diese Räder stellen zusammen einen Malteserantrieb 610 dar. Das Antriebsrad 608 ist auf der dem Motor 607 zugewandten Seite mit einem Stift 612 und einer ringförmigen Führungsplatte 613 ausgerüstet. Das Triebrad 609 ist mit einer Welle 614 der Schnittfilterscheibe 605 gekuppelt. Die Welle 614 ist in einem Lager (nicht gezeigt) gehaltert. Das Triebrad 609 ist mit einer Vielzahl (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier) von Einrückschlitzen oder Einrückkerben 615 versehen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet sind und sich in der Radialrichtung erstrecken, so daß der Stift 612 Über die Schlitze 615 am Triebrad 609 angreifen kann. Das Triebrad weist noch konkave Umfangsabschnitte 616 auf, die sich jeweils zwischen benachbarten Kerben 615 erstrecken, so daß die

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Führungsplatte 613 durch Friktion von den Abschnitten 616 gedreht wird. Die Schnittfilter 604 sind auf der Schnittfilterscheibe 605 längs eines Kreises angeordnet, der konzentrisch mit der Welle 614 ist, und die Schnittfilter 604 sind gegenüber den Kerben 615 des Triebrades 609 winkelm-äßig so versetzt, daß die Schnittfilter 604 aufeinanderfolgend in eine Position 617 gebracht werden können, b,ei der der parallele Strahlungsfluß von der Kollimatorlinse 606 auf einem der Schnittfilter auftrifft. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Kerben oder Schlitze 615 vorhanden, so daß auch vier Schnittfilter vorgesehen sind. Unmittelbar hinter der Schnittfilterscheibe 605 befindet sich eine Interferenzfilmfilterscheibe 619, die Interferenzfilmfilter 618 trägt und parallel zur Schnittfilterscheibe 605 vorgesehen ist, so daß sich die Interferenzfilmfilter 618 und die Schnittfilter 604 überlappen können. Hinter dem Strahlenweg oder der Beleuchtungsposition 617 befindet sich ein photoelektrischer Wandler 620, der den von einem Schnittfilter 604 und einem Interferenzfilmfilter 618 durchgelassenen Strahlungsfluß in ein elektrisches Signal umwandelt, wenn sich diese Filter überlappen oder überdecken. Zwischen der Interferenzfilmfilterscheibe 619 und dem photoelektrischen Wandler 620 ist noch eine Kondensorlinse 621 vorgesehen, die den spektralen Strahlungsfluß auf den photoelektrischen Wandler 620 fokussiert. Die optische Achse der Kondensorlinse 621 fällt mit der optischen Achse der Kollimatorlinse zusammen. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die auf der Schnittfilterscheibe 605 vorgesehenen Schnittfilter 604 eine Anordnung zum Ausführen einer groben spektralen Analyse. Der Motor 607 und der malteserantrieb 610 stellen eine Schaltvorrichtung dar.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels erläutert werden.

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Der auf den Monochromator 602 fallende Strahlungsfluß 601 wird von der Objektivlinse 603 fokussiert und von der Kollimatorlinse 606 in einen parallelen Strahlungsfluß überführt, um die Beleuchtungsposition 617 der Schnittfilterscheibe 605 zu beleuchten. Das Antriebsrad

608 des Maltesergetriebes 610 wird vom Motor 607 angetrieben, wobei der auf dem Antriebsrad 608, vorgesehene Stift 612 eine schrittweise Drehbewegung des Treibrades

609 verursacht, indem er in die Schlitze 615 des Treibrades 609 eingreift. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird bei einer Umdrehung des Antriebsrades 608 das Treibrad 609 um 90° in der Gegenrichtung gedreht. Die Führungsplatte 613 führt den Stift 612 in die Schlitze 615, während sie eine Drehbewegung des Treibrades 609 infolge der Fritionsberührung mit den bogenförmigen konkaven Abschnitten 616 des Triebrades 609 verhindert. Mit der Drehung des Triebrades 609 wird gleichzeitig die ■Schnittfilterscheibe 605 gemeinsam gedreht, so daß die einzelnen Schnittfilter 604 aufeinanderfolgend in die Beleuchtungsposition 617 gelangen. In der Zwischenzeit werden die Interferenzfilmfilter 618 auf der Interferenzfilmfilterscheibe 619 aufeinanderfolgend in eine Position hinter die Beleuchtungsposition 617 gebracht, um ein bereits dort befindliches Schnittfilter 604 zu überdecken. Wenn ein Interferenzfilmfilter 618 in die Position hinter der Beleuchtungsposition 617 gebracht ist und auch ein Schnittfilter 604a in die Beleuchtungsposition 617 gebracht ist, wird von dem einfallenden Strahlungsfluß 6OI ein Spektrum gewonnen, das lediglich das Durchlaßband des ersten Grades des Interferenzfilmfilters 618 enthält, da das Schnittfilter eine grobe spektrale Analyse dadurch vornimmt, daß es nur Wellenlängen durchläßt, die im Bereich von einem Band einer Vielzahl von Durchlaßbändern unterschiedlichen Grads des Interferenzfilmfilters 618 liegen, während das Schnittfilter alle übrigen Bänder des spektralen Strahlungsflusses blockiert. Es wird angenommen, daß das Schnittfilter 604a gerade das Band ersten Grads durchläßt. Wenn das in die Beleuchungsposition

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617 gebrachte Schnittfilter nur das spektrale Wellenlängenband durchläßt, das bei dem Band zweiten Grades des Interferenzfilmfilters 618 liegt, wird der einfallende Strahlungsfluß 601 spektral so analysiert, daß der resultierende Fluß nur noch Wellenlängen vom Band des zweiten Grades des Interferenzfilmfilters 618 enthält.

Bringt man somit die Schnittfilter 604, 604a, 604b, ,,,. aufeinanderfolgend in die Beleuchtungsposition 617, erhält man spektrale Strahlungsflüsse, die jeweils ein Band eines besonderen Grades des Interferenzfilmfilters 618 enthalten. Wenn durch Drehantrieb der Inter'ferenzfilrafilterscheibe 619 ein anderes Interferenzfilmfilter 618 in die Position hinter der Beleuchtungsposition 617 gebracht ist, erhält man auch hier aufgrund der Abtastung durch die aufeinanderfolgenden Schnittfilter 604, von denen jedes nur ein Band eines besonderen Grades durchläßt und die Bänder* aller übrigen Grade des Interferenzfilmfilters 618 blockiert, aufeinanderfolgende spektrale Strahlungsflüsse, die jeweils nur das Band eines besonderen Grads des betreffenden Interferenzfilmfilters 618 aufweisen. Jeder der auf diese Weise gewonnenen Strahlungsflüsse wird von der Kondensorlinse 621 auf den photoelektrischen Wandler 620 fokussiert.

Durch Anschließen einer Recheneinheit, die die Drehbewegung des Motors 607 steuert, Verbinden der Recheneinheit mit dem photoelektrischen Wandler 620, um die von dem photoelektrischen Wandler 620 erzeugten einzelnen spektralen Strahlungsflüsse der Recheneinheit zuzuführen und Steuerung der Drehbewegung der Schnittfilterscheibe 605 und der Interferenzfilmfilterscheibe 619 durch die Recheneinheit unter gleichzeitiger Synchronisierung dieser Abtaststeuerungen und der Abtastung der gewonnenen elektrischen Signale ist es möglich, die spektralen Daten des einfallenden Strahlungsflusses 601 zu gewinnen.

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Das Maltesergetriebe 610 kann man weglassen, wenn zum Antrieb der Schnittfiltai scheibe 6üi> ein weiterer Motor vorgesehen ist, der mit dem Motor 607 synchronisiert ist.

Die Fig. 32 zeigt ein siebzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zur groben Analyse von einem Prisma Gebrauch macht.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel trifft ein Strahlungsfluß 601 auf eine Objektivlinse 603 und dann auf eine Kollimatorlinse 6O6. Diese Linsen sind von der selben Art wie bei dem vorangegangenen sechzehnten Ausführungsbeispiel. Hinter der Kollimatorlinse 606 befindet sich ein Prisma 622, das eine grobe Analyse dadurch bewirkt, daß es den von der Kollimatorlinse 606 ankommenden parallelen Strahlungsfluß zerlegt. Zwischen der Kollimatorlinse 606 und dem Prisma 622 ist noch ein Eintrittsspalt 623 vorgesehen, der den parallelen Strahlungsfluß von der Kollimatorlinse 606 schmäler macht. Das Prisma 622 ist auf der seiner Einfallsoberfläche 624 gegenüberliegenden Seite mit einer reflektierenden Oberfläche 625 ausgerüstet, die den schmalen oder engen parallelen Strahlungsfluß vom Eintrittsspalt 623 reflektiert, nachdem er über die Eintritts- oder Einfallfläche 624 in das Prisma 622 eingetreten ist. Eine Seite des Prismas 622, die von der Eintrittsfläche 624 und der Reflexionsfläche 625 begrenzt wird, wird Motorseite 626 genannt und ist mit der Welle eines Prismaantriebsmotors 627 verbunden, der das Prisma 622 drehen kann. Die Welle 628 des Antriebsmotors 627 trifft unter einem rechten Winkel auf der Motorseite 626 auf. Das Prisma 622 ist so orientiert, daß die Motorseite 626 parallel zum parallelen Strahlungsfluß vom Eintrittsspalt 623 verläuft. Vor der Eintrittsfläche 624 des Prismas 622 befindet sich ein Austrittsspalt 629, der selektiv nur ein besonderes Wellenlängenband des einfallenden und vom Prisma 622 zerlegten Strahlungsflusses weiterleitet. Hinter dem

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Austrittsspalt 629 ist ein Interferenzfilmfilter 618 vorgesehen, das sich parallel zum Spalt 629 erstreckt. Hinter dem Interferenzfilmfilter 618 befindet sich ein photoelektrischer Wandler 620, der den vom Interferenzfilmfilter 618 durchgelassenen spektralen Strahlungsfluß in ein elektrisches Signal umwandelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden das Prisma 622, der Eintrittsspalt 623 und der Austrittsspalt 629 eine Anordnung zum Durchführen einer groben spektralen Analyse. Der Prismaantriebsmotor 627 stellt die . Schaltvorrichtung dar.

Die Arbeitsweise des siebzehnten Ausführungsbeispiels soll im folgenden erläutert werden.

Der einfallende Strahlungsfluß 601 wird von der Objektivlinse 603 fokussiert und dann von der Kollimatorlinse 606 in einen parallelen Strahlungsfluß umgeformt, der anschließend vom Eintrittsspalt 623 in einen schmalen oder engen parallelen Strahlungsfluß gebracht wird. Dieser Strahlungsfluß fällt auf die Eintrittsfläche 624 des Prismas 622. Der in das Prisma 622 eintretende Strahlungsfluß wird zerlegt und von der reflektierenden Oberfläche 625 des Prismas reflektiert. Bevor er das Prisma 622 verläßt wird er nochmals an der Eintrittsfläche 624 zerlegt. Der vom Prisma 622 zerlegte Strahlungsfluß weist nach Verlassen des Prismas unterschiedliche Projektionswinkel für die einzelnen Wellenlängen auf. Der vom Austrittsspalt 629 durchgelassene Strahlungsfluß ist daher ein spektraler Strahlungsfluß, der nur noch ein besonderes Wellenlängenband des vom Prisma projezierten Strahlungsflusses enthält . Durch Drehen des Prismas 622 mit Hilfe des Prismaantriebsmotors 627 kann man das Wellenlängenband des spektralen Strahlungsflusses, der den Austrittsspalt 629 passiert, fortschreitend verschieben, und zwar entweder in Richtung auf kürzere oder auf längere Wellenlängen. Durch vorheriges Messen des Wellenlängenbandes des Strahlungsflusses, das

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in Abhängigkeit von der Drehstellung des Prismas 622 den Austrittsspalt 629 passiert, und durch aufeinanderfolgendes Drehen des Prismas 622 in die Drehstellungen für die gemessenen Wellenlängen mit Hilfe des Prismaantriebsmotors 627 ist es möglich, einen grob analysierten Strahlungsfluß zu gewinnen, dessen Wellenlänge in der Nachbarschaft des Durchlaßbandes eines besonderen Grads des Interferenzfilmfilters 618 liegt. Dieser Strahlungsfluß trifft dann auf das Interferenzfilmfilter 618. Nach dem Durchlaß durch das Interferenzfilmfilter 618 enthält jeder grob analysierte Strahlungsfluß nur noch das Band eines besonderen Grades des Interferenzfilmfilters 618. Dieser Strahlungsfluß wird dann von dem photoelektrischen Wandler 620 in ein elektrisches Signal umgesetzt.¹

Durch Anschließen einer Recheneinheit, die die Drehbewegung des Prismaantriebsmotors 627 steuert, an den Motor 627, durch Verbinden des photoelektrischen Wandlers 620 mit der Recheneinheit und durch Ausführen einer Steuerung durch die Recheneinheit unter Synchronisation der Abtastung bzw. der Drehbewegung des Prismas 622 und der Abtastung der elektrischen Signale des photoelektrischen Wandlers 620 ist es möglich, aufeinanderfolgende Strahlungsflüsse zu messen, die nur noch besondere Bänder des einfallenden Strahlungsflusses von besonderen Graden der Interferenzfilmfilter 618 enthalten. Den Antriebsmotor 627 kann man mit einem Drehzahluntersetzungsmechanismus ausrüsten, beispielsweise einem SinusStangenmechanismus.

Obgleich der erläuterten Ausführungsbeispiele von Schnittfiltern 604 und einem Prisma 622 Gebrauch machen, ist es auch möglich, Beugungsgitter, dichroitische Spiegel usw. zu verwenden. Wenn die chromatische Aberration oder Absorption einer Linse den Gegenstand der Messung bildet, ist es möglich, die Objektivlinse 603 durch einen Cassegrain-Reflektor zu ersetzen und die Kollimatorlinse 606 wegzulassen.

130012/0726 Li/Gu

ι ^Γ

Leerseite

Claims (11)

Poienianwälie Reichelu.Reicliel 6 Frankfuri a. M. 1 NAChISSRBOHT ISHIKAWAJIMA-HARIMA HEAVY INDUSTRIES CO., LTD., Tokyo", Jä*pan Patentansprüche

1. Verfahren zum Messen der Temperatur und des spektralen Faktors von N (N ^ 1) Proben,
gekennzeichnet durch
die folgenden Schritte:

spektrales Trennen oder Zerlegen der in Form eines einzi gen Strahlungsflusses empfangenen Strahlungsflüsse der N Proben hinsichtlich effektiver Wellenlängen für M (M = 3) verschiedene Kanäle,

Umsetzen der spektralen Strahlungsflüsse in elektrische Erfassungssignale X.,

Entwickeln einer Gleichung

£ «_nj (exp-—
¹ *j ^ln

wobei 3=1,2, .... M, g^ die spektrale Verstärkung oder der spektrale Gewinn bei der effektiven Wellenlänge λ., ist,c j der typische spektrale Faktor der N Proben bei der effektiven Wellenlänge λ. ist, T_n die typische Temperatur '■■ der N Proben ist, C₁ = 3,74150 χ 1Ο~^1β in W-nAind C₂ ■ 1,43879 x 10"² in m-Grad, *

Approximieren oder Annähern des spektralen Faktors als eine Funktion von nur noch der Wellenlänge mit M-N Unbekannten,

Ableiten einer eindimensionalen Gleichung, die die Temperatur beschreibt, durch Herausstreichen dieser Unbekannten, . die in der Gleichung für den approximierten spektralen Faktor und der Gleichung (A) enthalten sind, Lösen der eindimensionalen Gleichung zwecks Bestimmung der -^ , Temperatur der Proben und - M

Gewinnen des spektralen Faktors aus der bestimmten Tempera- ^l tür und der Gleichung (A).

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2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Gleichung (A) die folgende Gleichung verwendet wird:

-5 N -ρ
Xj—gjCj^ £3 e_nj.e_Xp(- L.) ·. (β),

ⁿ⁼¹ j^Tn

wobei j = 1, 2, .... M, g. die spektrale Verstärkung oder [ der spektrale Gewinn bei der effektiven Wellenlänge χ. : ist, t n., der typische spektrale Paktor der N Proben bei der ■ effektiven Wellenlänge /L· ist, T die typische Temperatur der N Proben ist, C₁ = 3,74150 χ 10"¹⁶ in W-m² und C₂ = 1,43879 x 10~² in m-Grad.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß effektive Wellenlängen für 2N Kanäle unter den effek- ; tiven Wellenlängen für M (M έ 2N) Kanälen so ausgewählt

1 1 ^!

werden, daß einer Beziehung ·= *—· = C genügt wird,

^i ^i + 1 wobei C eine Konstante ist und i = 1, 2, .... 2N - 1, daß für die effektiven Wellenlängen für die 2N Kanäle die folgende Gleichung erstellt wird:

wobei i = 1, 2, .... 2N, £ der typische spektrale Faktor der N Proben ist, die versuchsweise als Graukörper betrach-

2 i^i tet werden, U_n = exp -— , Y. = —-— , T die typische

ri . ^si^L1 ν * Temperatur der N Proben ist, g. und X_i der spektrale Ge- * winn bzw. der elektrische Erfassungswert bei Jeder effekti- ^ ven Wellenlänge X₁ ist, C₁ = 3,74150 χ 10"¹⁶ in W-m² und

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C₀ = 1,43879 χ ΊΟ"² in m-Grad,

11 daß unter Verwendung der obigen Beziehung - ■ * C

*i Ai + 1 eine eindimensionale Gleichung für nur noch die Temperatur abgeleitet wird,

daß durch Lösen der eindimensionalen Gleichung die Temperatur der Proben bestimmt wird,

daß der spektrale Faktor aus der erhaltenen Temperatur und der Gleichung (C) bestimmt wird und daß die gewonnene Temperatur und der gewonnene spektrale Faktor -als Anfangswerte zum Lösen der Gleichung (A) verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die N Proben als eine einzige Probe betrachtet werden, ' daß effektive Wellenlängen für m (M = m = 3) Kanäle von den effektiven Wellenlängen für die M Kanäle so ausgewählt

1 1 werden, daß einer Beziehung - = O^ genügt wird,

*i H + 1 wobei Oo eine Konstante ist und i = 1, 2, ....m-1, und daß anstelle der Gleichung (A) die folgende Gleichung benutzt wird:

wobei i = 1, 2, .... m, g_i der spektrale Gewinn bei der effektiven Wellenlänge A₁ ist, 8_ί der spektrale Faktor der Proben bei der effektiven Wellenlänge \* ist, T die

1 ß ? Temperatur der Probe ist, C₁ = 3,74150 χ 10 in W-m

und C₂ = 1,43879 x 10"² in m«Grad.

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5. Verfahren nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Betrachten der N Proben als eine einzige Probe, ^!

spektrales Trennen oder Zerlegen der Strahlungsflüsse der Proben bezüglich der effektiven Wellenlängen von M (M = 3) verschiedenen Kanälen,

Umsetzen der spektralen Strahlungsflüsse in elektrische Erfassungswerte X^,

Entwickeln einer Gleichung

5;

wobei C₁ ο 3,74150 χ 10~¹⁶ in Wm², C₂ « 1,43879 x 10~² ; in m«Grad, λ. ^ die effektive Wellenlänge in Meter'ist (bekannter Wert), T die Temperatur der Probe in ⁰K ist (unbekannt), g^ der spektrale Gewinn in Vm /W ist, der ; dem Instrument eigen ist (bekannt), v^ der spektrale Emis- ? sionsgrad ist (unbekannt), h^ die Gewichtung des spektralen Emissionsgrads ist (bekannt), f * der spektrale Refle- \ xionsgrad ist (unbekannt), Q^ die Gewichtung der relativen · spektralen Strahlungsflußintensität des Beleuchtungslichts ist (bekannt), X^ der gemessene Datenwert in V ist (Eingabe), i β 1, 2, 3, 4, 5, der spektrale Faktor als die Korn- ^; bination aus dem spektralen Emissionsgrad und dem spektralen: Reflexionsgrad betrachtet wird,

Approximieren oder Annähern des spektralen Faktors als j eine Funktion von nur noch der Wellenlänge mit M-N Unbe- ; kannten, ■

Ableiten einer eindimensionalen Gleichung, die die Temperatur beschreibt, durch Herausstreichen der Unbekannten, die in der Approximationsgleichung des approximierten spektralen Faktors und in der Gleichung (D) enthalten sind,

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Lösen der eindimensionalen Gleichung zwecks Bestimmung der Temperatur der Probe und

Gewinnen des spektralen Faktors aus der bestimmten Temperatur und der Gleichung (D).

6. Anordnung zum Messen der Temperatur und des spektralen Faktors von N (N = 1) Proben,
gekennzeichnet durch einen Monochromator zum spektralen Trennen oder Zerlegen der in Form eines einzigen Strahlungsflusses empfangenen Strahlungsflüsse der Probe bezüglich effektiver Wellenlängen für M (M = 3) Kanäle,

eine Umsetzereinrichtung zum Umsetzen der einzelnen spektralen Strahlungsflüsse in entsprechende elektrische Erfassungswerte X. und

eine Recheneinrichtung zum Berechnen der Temperatur der Proben durch Substitution der elektrischen Erfassungswerte

X. der Umsetzereinrichtung, der effektiven Wellenlänge λ., ο J

des spektralen Gewinns g. bei der effektiven Wellenlänge

J 16?

Tu und der Konstanten C₁ = 3,74150 χ 10 in W«m sowie

der Konstanten C₂ = 1,43879 x 10~² in m«Grad in eine Gleichung

wobei j = 1, 2, .... M, ζ. der typische spektrale Faktor der N Proben bei der effektiven Wellenlänge "\. ist und T die typische Temperatur der N Proben ist, und zum Lösen einer eindimensionalen Gleichung, die nur noch die Temperatur beschreibt und durch Eliminieren von Unbekannten hervorgegangen ist, die in einer Gleichung zur Annäherung oder Approximation des spektralen Faktors als eine Funktion von nur noch der Wellenlänge mit M-N Unbekannten für den approximierten spektralen Faktor und in der Glei-

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chung (A) enthalten sind, sowie zum Berechnen des spektralen Faktors der Proben aus der berechneten Temperatur und der Gleichung (A).

7. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Monochromator die Strahlungsflüsse der N Proben als einen einzigen Strahlungsfluß bezüglich der effektiven Wellenlängen für 2N Kanäle von den effektiven Wellenlängen für M (M = 2N) Kanäle spektral analysiert, daß die effektiven Wellenlängen für die 2N Kanäle so ausgewählt sind,

1 1
daß eine Beziehung ~ = C befriedigt ist, wobei

λi ^zi 1

C eine Konstante und i = 1, 2, .... 2N- 1 ist, daß die Umsetzereinrichtung die einzelnen spektralen Strahlungsflüsse in entsprechende elektrische Erfassungswerte X. umsetzt, wobei j = 1, 2, .... M, und daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Proben durch Substituieren elektrischer Erfassungswerte X_i von den mit der Umsetzer-. einrichtung gewonnenen elektrischen Erfassungswerten X-,

J der effektiven Wellenlänge A^, des spektralen Gewinns gbei der effektiven Wellenlänge A^ sowie der Konstanten C, = 3,7415 x 10 in W*m und der Konstanten C₀ = 1,43879 χ 10 in m-Grad in eine Gleichung

Jl .,V_n ¹I = T, ···■· (Ο,

wobei i = 1, 2, .... 2N, C_n der typische spektrale Faktor der N Proben ist, die als graue Körper betrachtet werden,

U = exp ττΓ— > Y₁- = £"T— ^{und T}n ^d*^e typis⁰*¹⁰ Temperatur η I_n χ g^ η

der N Proben ist, sowie durch Ableiten einer eindimensionalen Gleichung, die nur noch die Temperatur beschreibt, unter Verwendung der oben genannten Beziehung -^r

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= C und durch Lösen der eindimensionalen Glei- + 1

chung für die Temperatur berechnet sowie den spektralen Faktor aus der berechneten Temperatur und der Gleichung (C) berechnet und die Temperatur und den spektralen Faktor der Proben unter Verwendung der berechneten Temperatur und des berechneten spektralen Faktors als Anfangswerte für die Temperatur und den spektralen Faktor in der Gleichung (A) berechnet.

8. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die N Proben als eine einzige Probe betrachtet werden, daß der Monochromator den Strahlungsfluß von dieser Probe bezüglich der effektiven Wellenlängen für m (M = m = 3) Kanäle von den effektiven Wellenlängen für M Kanäle spektral trennt oder zerlegt, daß die effektiven Wellenlängen für die m Kanäle so gewählt sind, daß einer Beziehung

1 1
=9v, Genüge getan ist, wobei Φ eine Konstante

λχ *i ₊ 1

und i = 1, 2, .... m - 1 ist, daß die Umsetzereinrichtung die einzelnen spektralen Strahlungsflüsse in entsprechende■ elektrische Werte X. umformt, wobei j = 1, 2, .... M, und daß die Recheneinrichtung die Temperatur und den spektralen Faktor der Probe aus dem elektrischen Erfassungswert X^, den die Umsetzereinrichtung liefert, der effektiven Wellenlänge "X^, dem spektralen Gewinn g_i bei der effektiven WellenlängeA₁ sowie den Konstanten C₁ = 3,74150 χ 10 in W*m² und C₂ = 1,43879 χ 10~² in m-Grad unter Verwendung der folgenden Gleichung anstelle der Gleichung (A) berechnet:

X₁ =S_iC₁^_i~⁵ e. exp (-—-),

«wobei i = 1, 2, .... m, ζ. der spektrale Faktor der Probe bei der effektiven Wellenlänge Λ^ ist und T die Temperatur der Probe ist.

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9. Mehrkanal-Strahlungsfluß-Meßanordnung, gekennzeichnet durch eine Anzahl optischer Lichtleitfaserkabel, die mit ihren einen Enden einer entsprechenden Anzahl von Proben gegenübergestellt sind, um den Strahlungsfluß von diesen Proben weiterzuleiten, einen beispielsweise tafel- oder plattenförmigen Träger, an dem die anderen Enden der Lichtleitfaserkabel in einer vorbestimmten Anordnung angebracht sind, einen Abtaster zum aufeinanderfolgenden Abtasten der Strahlungsflüsse, die von den anderen Enden der Lichtleitfaserkabel projiziert werden, einen photo elektrischen Wandler zum Umwandeln der vom Abtaster abgetasteten Strahlungs-

flüsse in elektrische Signale und eine arithmetische Ver

arbeitungs- und Steuereinheit zum Steuern des Abtasters, wobei gleichzeitig die Abtastung durch den Abtaster und die Abtastung der vom photoelektrischen Wandler gelieferten elektrischen Signale synchronisiert wird, zum' Berechnen des Strahlungsflusses von jedem abgetasteten elektrischen Signal und zum Verarbeiten der erhaltenen Daten hinsichtlich der Strahlungsflüsse der Proben.

10. Anordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,' daß der Abtaster eine Einrichtung zur spektralen Analyse enthält, um den einfallenden Strahlungsfluß spektral zu analysieren.

11. Spektralanalyseanordnung zum spektralen Analysieren eines Strahlungsflusses und zum Umsetzen der einzelnen analysierten StrahlungsflUsse in elektrische Signale, gekennzeichnet durch ein Interferenzfilmfilter, das Wellenlängen in Bändern einer Vielzahl von Graden oder Ordnungen durchläßt, eine grobe spektrale Analyseeinrichtung, die eines der Bänder des analysierten Strahlungsflusses durchläßt und mit dem Interferenzfilmfilter kombiniert oder überlappt wird und

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eine Schalteinrichtung zum automatischen Veiterschalten der groben spektralen Analyseeinrichtung, um aufeinanderfolgend grob analysierte Strahlungsflüsse bereitzustellen, von denen Jeder einzelne ein entsprechendes Durchlaßband mit verschiedenen Graden oder Ordnungen des Interferenzfilmfilters aufweist, wobei die grob analysierten Strahlungsflüsse aufeinanderfolgend von der Schalteinrichtung durchgeschaltet werden, so daß der einfallende Strahlungsfluß in aufeinanderfolgende Strahlungsflüsse analysiert wird, von denen jeder einzelne eine entsprechende Wellenlänge von unterschiedlichen Graden oder Ordnungen des Interferenzfilmfilters aufweist, jeder analysierte Strahlungsfluß ein Band von Wellenlängen aufweist, die nur einen Grad oder eine Ordnung enthalten, und die Beziehung zwischen den Wellenlängen der einzelnen analysierten Strahlungsflüsse durch das selbe Interferenzfilmfilter aufrecht erhalten wird.

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