DE4041851A1 - Verfahren zum messen der leistung einer optischen strahlung, anordnung zur durchfuehrung des verfahrens, und temperaturmessquarz zur verwendung in der anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Leistung ei­ ner optischen Strahlung (Lichtleistung) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sowie einen hierfür geeigneten Temperaturmeßquarz.

Aus KOHLRAUSCH, Praktische Physik 1, Kapitel 5.2.2.2, 23. Aufla­ ge, Seiten 519 bis 521, Verlag Teubner, Stuttgart, sind zur Mes­ sung von Lichtleistung verschiedene jeweils einen Absorber, einen Fühler und eine Wärmesenke aufweisende thermische Empfänger bzw. Meßmethoden bekannt.

Bei Bolometern wird die Lichtleistung aus der Änderung eines der Temperaturerhöhung ausgesetzen temperaturabhängigen Widerstandes abgeleitet (a.a.O., Seite 521).

Weiterhin ist als Fühler eine Thermosäule bekannt, wobei die Tem­ peraturdifferenz zwischen einer bestrahlten, aktiven Fläche und einem Gehäuse mittels in Reihe geschalteter Thermoelemente gemes­ sen wird. (a.a.O., Seite 521).

Es ist auch bekannt, die Lichtleistung mit Hilfe eines wasserge­ kühlten Hohlraumabsorbers zu messen, wobei die Strahlung an den Innenwänden des Hohlraums absorbiert und die dadurch auftretende Temperaturdifferenz zwischen zu- und abfließendem Kühlwasser festgestellt wird. Alsdann wird die Lichtleistung unter Beibehal­ ten der festgestellten Temperaturdifferenz durch elektrische Lei­ stung substituiert (a.a.O, Seite 520).

Die bekannten Meßverfahren bzw. Meßanordnungen haben die haupt­ sächlichen Nachteile, daß sie unempfindlich und von Umwelteinflüs­ sen abhängig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des gattungsgemäßen Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich der gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 6 oder 7, hinsichtlich des gattungsgemäßen Temperaturmeßquarzes durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 8 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Stabilität und eine hohe Auflösung erreicht wird. Änderung der Temperatur, des Luftdrucks und der Luftfeuchtigkeit sowie Luftbewegungen bleiben ohne Einfluß. Die Alterung ist gering. Die Messung ist wellenlän­ genunabhängig. Es können auch geringe Leistungen genau erfaßt werden. Es müssen keine sehr kleine Ströme oder Spannungen verar­ beitet werden. Weiterhin weist der Temperaturmeßquarz eine rela­ tiv große aktive Fläche auf, so daß die gesamte Strahlung erfaßt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Prinzip-Blockschaltbild einer Leistungsmeßanordnung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Weiterbildung des ersten Aus­ führungsbeispiels mit Frequenzumsetzung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels mit Strahlunterbrechung

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels mit einer Reaktanzmeßbrücke,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Temperaturmeßquarz entspre­ chend der Schnittlinie VI-VI in Fig. 7 und

Fig. 7 einen Schnitt durch die Einrichtung gemäß Fig. 6 ent­ sprechend der Schnittlinie VII-VII in Fig. 6.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die Anordnung im Prinzip aus einem Temperaturmeßquarz 1, einer Meßschaltung 2 und einer Wandler­ schaltung 3. Der Temperaturmeßquarz 1 wird mit einer Strahlung 4, deren Leistung zu messen ist, beaufschlagt. Der Temperaturmeß­ quarz 1 ändert den frequenzabhängigen Verlauf seiner Reaktanz in Abhängigkeit von der Quarztemperatur, die sich entsprechend der empfangenen Strahlungsleistung ergibt. Die Änderung des Reaktanz wird von einer Meßschaltung 2 erfaßt und mittels einer Wandler­ schaltung 3 in die gesuchte Meßgröße "Strahlungsleistung" umge­ setzt. Letztere wird schließlich in einer Auswerteschaltung 5 anzeigt, registriert oder sonstwie ausgegeben.

Das in Fig. 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung enthält eine Oszillatorschaltung 6, deren frequenz­ bestimmendes Element der Temperaturmeßquarz 1 ist, eine Meßschal­ tung 7, die die Frequenz oder die Periodendauer der erzeugten Oszillatorschwingung mißt, und eine Wandlerschaltung 8, die die ermittelte Frequenz oder Periodendauer in die gesuchte Meßgröße "Strahlungsleistung" umwandelt. Ein Ausgang der Wandlerschaltung 8 liegt an einer Auswerteschaltung 9.

Die in Fig. 3 ausschnittsweise dargestellte Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels enthält zwischen der Oszillatorschal­ tung 6 (Fig. 2) und der Meßschaltung 7 (Fig. 2) einen von einem Ortoszillator 10 beaufschlagten ersten Mischer 11, einen Tiefpaß 12, einen zweiten Mischer 13, einen Regelverstärker 14, einen spannungssteuerbaren Oszillator 15 und einen Frequenzteiler 16, dessen Ausgang den Eingang des Frequenzteilers 16 beaufschlagt.

Das Ausgangssignal des Oszillators 6 wird im ersten Mischers 11 mittels des Signals des Ortoszillators 10 zunächst in eine niede­ re Frequenzlage umgesetzt und dem Tiefpaß 12 zugeführt. Hierbei bleibt die durch die Strahlungsleistung bedingte Frequenzänderung des Oszillatorsignals erhalten. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 12 wird mittels des von dem zweiten Mischer 13, dem Regelverstär­ ker 14, dem spannungssteuerbaren Oszillator 15 und dem Frequenz­ teiler 16 gebildeten Frequenzvervielfachers in eine höhere Fre­ quenzlage zurückversetzt. Hierbei wird die Frequenzänderung ent­ sprechend dem Teilungsverhältnis des Frequenzteilers 19 verviel­ facht. Die weitere Auswertung des Signals des Oszillators 15 er­ folgt wie in Fig. 3 (7, 8, 9).

Bei dem in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ei­ ner Meßanordnung gelangt die zu messenden Strahlung 17 über einen Strahlunterbrecher 18 zum Temperaturmeßquarz 19, der die Frequenz eines Oszillators 20 bestimmt. Das Oszillatorsignal wird einem Frequenzteiler 21 zugeführt, dessen Ausgangssignal eine Torschal­ tung 22 steuert, die Zählimpulse eines Referenzoszillators 23 zu einem Frequenzzähler 24 durchläßt, der die Periodendauer des Os­ zillatorsignals bestimmt. Eine vom Frequenzteiler 21 synchroni­ sierte Steuerschaltung 26 betätigt einerseits den Strahlunterbre­ cher 18 und andererseits eine Wandler- und Auswerteschaltung 27, die die Differenz zwischen den Periodendauern der Oszillator­ schwingung feststellt, die mit und die ohne Bestrahlung erzeugt werden, und die Differenz in die gesuchte Meßgröße "Strahlungs­ leistung" umwandelt.

Das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer Meß­ anordnung enthält eine Reaktanzmeßbrücke 28, eine selbstätige Abgleichschaltung 29 und eine Wandler- und Auswerteschaltung 30.

An einer ersten Brückendiagonale liegt einerseits die Reihen­ schaltung eines Temperaturmeßquarzes 31 und eines von der selb­ stätigen Abgleichschaltung 28 einstellbaren Brückenzweiges 32 und andererseits die Reihenschaltung zweier Normalwiderstände 33, 34. Ein Generator 35 speist die erste Brückendiagonale.

Eine zweite Brückendiagonale liegt am Eingang der selbstätigen Abgleichschaltung 29, die eine Abgleichstellgröße 36 zur Einstel­ lung des Brückenzweiges 32 liefert. Die Abgleichstellgröße 36 gelangt auch an die Wandler- und Auswerteschaltung 30, die sie in die gesuchte Meßgröße "Strahlungsleistung" umwandelt.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt gemäß der Schnittlinie VII-VII in Fig. 7 und Fig. 7 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie VI-VI in Fig. 6 durch ein Ausführungsbeispiel eines Temperatur­ meßquarzes. Er benutzt ein TO-3- Gehäuse, dessen Kappe 36 oben mit einem Ausschnitt versehen ist, der gasdicht mit einer licht­ durchlässigen Scheibe 37 verschlossen ist.

Unterhalb der Scheibe 37 und parallel zu ihr ist eine Quarzschei­ be 38 angeordnet, die auf ihrer Oberseite mit einer Elektrode 39 und auf ihrer Unterseite mit einer Elektrode 40 beschichtet ist. Die Elektroden 39 und 40 sind über Bonddrähte 41 mit Anschluß­ stiften 42 verbunden, die isoliert durch einen Gehäuseboden 43 geführt sind. Die dem Fenster 37 zugewandte Elektrode 39 trägt eine schwarze Schicht 44, die durch eine chemische Behandlung der Elektrode 39 erzeugt ist. Die Quarzscheibe 38 ist in einer aus Kunststoff bestehenden Quarzhalterung gelagert, die aus einem auf dem Gehäuseboden 43 befestigten Ring 45 besteht, der vier am Rand der Quarzscheibe 38 angreifende Fortsätze 46 aufweist. Das Innere des Gehäuses ist mit einem wärmeleitendes Gas gefüllt, z. B. mit Neon, Argon oder auch Stickstoff.

Die schwarze Schicht 44 wird von der durch die Scheibe 37 einfal­ lenden Strahlung, deren Leistung zu bestimmen ist, getroffen und wandelt diese in Wärme um, die über die obere Elektrode 39 zur Quarzscheibe 38 gelangt. Die Quarzscheibe 38 ist über die Gasfüllung mit dem als Wärmesenke wirkenden Gehäuseboden 43 ge­ koppelt. Bei Auftreffen von Strahlung erwärmt sich die Quarz­ scheibe 38, wodurch sich deren frequenzabhängiger Reaktanzverlauf bzw. deren Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Strahlungs­ leistung entsprechend ändert.

Die schwarze Schicht 44 kann auch durch eine lacktechnische Be­ handlung der oder durch Aufdampfen auf die Elektrode 39 erzeugt sein.

Claims (16)

1. Verfahren zum Messen der Leistung einer optischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Strahlung einem Temperaturmeßquarz (1, 19, 31) zugeführt wird,
daß das Reaktanzverhalten des unbestrahlten und des bestrahlten Temperaturmeßquarzes bestimmt wird und
daß aus dem Unterschied des Reaktanzverhaltens des unbestrahlten und des bestrahlten Temperaturmeßquarzes die Meßgröße "Licht­ leistung" abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzverhalten des Temperaturmeßquarzes (1, 19) durch Fre­ quenz- bzw. Periodendauermessung der Schwingungen eines Oszilla­ tors (6, 20) bestimmt wird, der den Temperaturmeßquarz als fre­ quenzbestimmendes Element enthält.

3. Verfahren zum Messen der Leistung einer optischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reaktanz des Temperaturmeßquarzes (31) bestimmt wird,
daß die optische Strahlung dem Temperaturmeßquarz zugeführt wird und
daß aus dem Unterschied der Reaktanz des unbestrahlten und der des bestrahlten Temperaturmeßquarzes die Meßgröße "Lichtleistung" abgeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung dem Temperaturmeßquarz (19) intermittierend zuge­ führt wird und daß die Meßgröße von den intermittierenden Ände­ rungen der Frequenz oder der Periodendauer des Oszillatorsignals bzw. von den periodischen Änderungen der Reaktanz des Temperatur­ meßquarzes abgeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer einer durch Teilen der Schwingfrequenz auf die Größenordnung von 1 Hertz erzeugten Frequenz ausgewertet wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Oszillatorschaltung (6; 20) deren im wesentlichen frequenzbestimmendes Element der Temperaturmeßquarz (1; 19) ist,
durch eine die Frequenz bzw. die Periodendauer der Oszillator­ schwingung bestimmende Schaltung (2; 7; 21 bis 27)
und durch eine die Frequenz bzw. die Periodendauer der Oszilla­ torschwingung in die gesuchte Meßgröße "Strahlungsleistung" um­ setzende Wandlerschaltung (3; 8).

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Reaktanzmeßbrücke (31), in der der Tem­ peraturmeßquarz (32) einen Meßzweig bildet, und durch eine die gemessene Reaktanz des Temperaturmeßquarzes (32) in die gesuchte Meßgröße "Strahlungsleistung" umsetzende Wandlerschaltung (34).

8. Temperaturmeßquarz mit einer stark temperaturabhängig ge­ schnittenen Quarzscheibe zur Verwendung beim Verfahren nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzscheibe (38) mit einer geschwärzten Schicht (43) versehen ist.

9. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Quarzscheibe (38) in Wärmekontakt mit einer Wärmesenke steht.

10. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die geschwärzte Schicht (43) eine chemisch behan­ delte Elektrode (39) des Temperaturmeßquarzes ist.

11. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die geschwärzte Schicht (43) lacktechnisch auf ei­ ner Elektrode des Temperaturmeßquarzes erzeugt ist.

12. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die geschwärzte Schicht (43) auf eine Elektrode (39) des Temperaturmeßquarzes aufgedampft ist.

13. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 7 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzscheibe (38) in einem strahlungsdurchlässigen Gehäuse angeordnet ist.

14. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Glasgehäuse ist.

15. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Metallgehäuse (37, 43) mit einem strahlungs­ durchlässigen Fenster (37′) ist.

16. Temperaturmeßquarz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke ein Boden (43) des Gehäuses ist.