DE4405895C2

DE4405895C2 - Verfahren zur Kalibrierung nicht abbildender optischer Weitwinkelsonden

Info

Publication number: DE4405895C2
Application number: DE19944405895
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Hoetger
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 1994-02-19
Filing date: 1994-02-19
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2014-02-20
Also published as: DE4405895A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung nicht abbildender optischer Weitwinkel sonden, unter Anwendung eines konstanten Lichtleiters sowie von Interferenzfiltern interes sierender Strahlungsbereiche mittels opto-elektronischer Auswertung.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE 24 17 399 A1 ein Vorsatz für Strahlungsmeßgeräte mit einer Ulbricht′schen Kugel zum Messen von spektralen Anteilen in einer inhomogenen Strahlung. Die Ulbricht′sche Kugel ist einerseits mit einer von einem Opalglas gebildeten Lichteintritts- und andererseits gegenüberliegenden Lichtaustrittsöffnungen versehen. Zwischen beiden Öffnungen ist mittig ein Schalter aus Trüb- oder Opalglas angeordnet. An der Lichtaustrittsöffnung ist hinter einem oder mehreren Farbfiltern, die den zu messenden Spektralbereich bestimmen, ein fotoelektrischer Empfänger angeordnet.

Eine hinsichtlich ihrer Strahlungs- und spektralen Verteilung inhomogene Strahlung wird beim Eintritt in die Kugel mittels des Opalglases in deren Innenraum gestreut verteilt. Durch die Reflexionsbedingungen in der Kugel ergibt sich eine diffuse Verteilung der Strahlung an der Austrittsöffnung. Diese diffuse Strahlung gelangt über Spektralfilter zum fotoelektrischen Empfänger, dessen Signal ausgewertet wird. Die Ulbricht′sche Kugel dient in dem Strahlungsmeßgerät zur diffusen Aufbereitung inhomogener Strahlung zur Messung ihrer Dichte und spektralen Zusammensetzung.

Vorbekannt (Gstrein, Wolfgang: Ein Beitrag zur spektroskopischen Flammentemperaturmessung bei Dieselmotoren, Dissertation, TU Graz, 1986, S. 43-45, 56-66) sind Verfahren zur Kalibrierung der vorgenannten Art mit folgendem Kalibrier aufbau auf einer optischen Bank:

- Als Strahldichtenormal wird eine Wolframbandlampe angewendet, deren Emission eine bikonvexe Linse auf die zu kalibrierende Sonde als Strahlungs empfanger projiziert.
- Die von der Sonde erfaßte Emission wird über einen ein- oder mehrgeteilten Lichtleiter sowie Interferenzfilter interessierender Spektren einer opto-elektronischen Auswerte einheit mit einem oder mehreren Auswertekanälen zugeleitet.

Mit dieser allgemein bekannten, vorbeschriebenen Anordnung ist eine Kalibrierung von Weit winkelsonden nicht möglich.

Theoretisch naheliegend könnte eine Kalibrierung von Weitwinkelsonden über eine Hohl spiegelanordnung mittels paralleler Strahlen, z. B. des Sonnenlichts, vorgenommen werden. Der Hohlspiegel müßte hierzu den gesamten Erfassungssektor der in seinem Brennpunkt an geordneten Weitwinkelsonde überdecken und sein Erfassungswinkel selbst vollständig aus geleuchtet sein.

Für eine praktische Anwendung ist eine solche Anordnung nicht geeignet, da ihr eine Geschlos senheit fehlt, um ständig konstante Parameter herstellen zu können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Kalibrierung optischer Weitwinkelsonden, unter Anwendung von Interferenzfiltern und opto-elektronischer Auswertung zu finden.

Es wurde gefunden, daß sowohl für die Weitwinkelsonde als auch eine Bezugssonde mit klei nem Erfassungswinkel und bekannter Kalibrierung in einer Ulbricht′schen Kugel eine Strahlungs quelle gleicher Strahldichte realisiert wird, mittels der beide Sondenarten entsprechend ihrem Erfassungswinkel äquivalent belichtbar sind.

Die bei vorbeschriebener Belichtung ermittelten opto-elektronischen Parameter beider Sonden ermöglichen es, nachfolgend rechnerisch, unter Hinzuziehen der optischen Grundparameter der Bezugssonde mit kleinem Erfassungswinkel und dem angewendeten Lichtleiter, einen be zogenen Kalibrierwert für die Weitwinkelsonde zu ermitteln.

Bekannt ist die Ulbricht′sche Kugel bisher in ihrer Anwendung als Integralfotometer zur sum mierten Erfassung der räumlich abgegebenen Emission eines Strahlers.

Vorteilhaft lassen sich die optischen Grundparameter der Bezugssonde mit kleinem Erfassungs winkel und des für die künftigen Kalibrierungen anzuwendenden Lichtleiters in einer üblichen Kalibrieranordnung mit einem Strahldichtenormal ermitteln, um sie dann in nachbeschriebener Weise für die Ermittlung des bezogenen Kalibrierwertes der Weitwinkelsonde zu nutzen.

An Hand einer Zeichnung wird der Meßaufbau für das erfindungsgemäße Verfahren nach folgend beschrieben.

Die Figur zeigt den Meßaufbau unter Anwendung einer Ulbricht′schen Kugel 1 als geeignetes Strahldichtenormal zur vergleichenden Kalibrierung von Optiken mit geringem und weitem Erfassungswinkel.

Die Ulbricht′sche Kugel 1 weist einen, gegen die Einschuböffnung 11 der Sonden durch einen Schatter 12 und eine Streuscheibe 13 abgeschirmten Strahler 14 konstanter Lichtleistung auf. Der Strahler 14 ist eine Halogenlampe, die mit konstantem Strom betrieben wird und ein Licht spektrum aufweist, das sowohl Infrarot- als auch UV-Strahlung enthält. Es ergibt sich im Innen raum der Ulbricht′schen Kugel 1 eine gleichmäßige Strahldichte, so daß die erfaßte Lichtmenge der zu vergleichenden Sonden 2 - BS oder WS - proportional deren Erfassungswinkel ist.

Die Sonden 2 werden über ihr Gehäuse in der Ulbricht′schen Kugel 1 mittels einer Führung in konstanter Position und Winkellage auch gegenüber dem anzuschließenden Lichtleiter 3 ge halten und reichen mit ihrer Optik in den Kugelraum etwas hinein.

Die von der jeweils in die Ulbricht′sche Kugel 1 eingebrachten Sonde 2 - BS oder WS - er faßte Emission wird über einen ein- der mehrgeteilten Lichtleiter 3 sowie Interferenzfilter 4.1; 4.2; 4.3 interessierender Spektren einer opto-elektronischen Auswerteeinheit 5 mit einem oder mehreren Auswertekanälen zugeleitet, deren Meßergebnisse eine der erfaßten und dann über tragenen Lichtmenge zuordenbare Spannung - U_H oder U_D - ist.

Der meßtechnische Ablauf des Kalibriervorganges ist folgender:

a) Die Bezugssonde BS mit kleinem Erfassungswinkel wird zusammen mit dem für die künftigen Kalibrierungen mittels der Ulbricht′schen Kugel 1 ausschließlich anzuwendenden Lichtleiter 3 in einer üblichen Kalibrieranordnung auf einer optischen Bank unter Anwen dung eines Strahldichtenormals - einer Wolframbandlampe - und einer abbildenden Linse zum Ermitteln der optischen Grundparameter kalibriert. Es ergibt sich eine Bezugsspannung U_BS _λ _z, welche auf die Wellenlänge der Strahlung des Strahldichtenormals bezogen ist.
b) Es erfolgt eine zweite Kalibrierung der Bezugssonde BS mit kleinem Erfassungswinkel zusammen mit dem ausschließlich für die künftigen Kalibrierungen mittels der Ulbricht′schen Kugel 1 anzuwendenden Lichtleiters 3 bei Anwendung der Ulbricht′schen Kugel 1.
Es werden jeweils Messungen bei interessierender, durch den jeweils angewendeten Inter ferenzfilter 4.1; 4.2; 4.3 bestimmter Wellenlänge der Strahlung bei wirksamen und unwirk samen Strahler - Dunkelzustand - durchgeführt. Die hierbei mit unterschiedlichen Wellen längen ermittelten Hell- und Dunkelspannungen werden für die Ermittlung des bezogenen Kalibrierwertes der Weitwinkelsonde WS genutzt.
c) Die Weitwinkelsonde WS wird zusammen mit dem konstant anzuwendenden Lichtleiter 3 mittels der Ulbricht′schen Kugel 1 ebenfalls wie vorbeschrieben vermessen. Die hierbei mit unterschiedlichen Wellenlängen ermittelten Hell- und Dunkelspannungen werden eben falls für die Ermittlung des bezogenen Kalibrierwertes dieser Weitwinkelsonde WS genutzt.

Es folgt der rechnerische Teil der Ermittlung eines bezogenen Kalibrierwertes:
Es werden Bezugswerte BW für die Weitwinkelsonde WS nach folgenden Gleichungen er mittelt:

es bedeutet:
Differenzspannung dU = U_H - U_D
Hellspannung U_H
Dunkelspannung U_D

mit Indizes
- BS von Bezugssonde
- WS von Weitwinkelsonde
- λ₁ bis λ_z bei unterschiedlichen Wellenlängen.

Der Bezugswert BW kennzeichnet die Unterschiede des Transmissionsverhaltens zwischen der Bezugssonde BS und der jeweiligen Weitwinkelsonde WS bei einer bestimmen Wellenlänge λ_z.

Mittels der Grundparameter der Bezugssonde BS und dem Bezugswert BW der jeweiligen Weitwinkelsonde WS ist ein bezogener Kalibrierwert nach folgender Formel

errechenbar.

Darin sind folgende Grundparameter aus dem Kalibriervorgang unter a) enthalten:

- gemessene Spannung mit der Bezugssonde BS bei Messung mit dem Strahldichtenormal;
τL λ_z - Transmissionsgrad der abbildenden Linse;
- spektrale Strahldichte des Strahldichtenormals gemäß Datenblatt.

Claims

1. Verfahren zur Kalibrierung nicht abbildender optischer Weitwinkelsonden (WS), unter Anwendung eines konstanten Lichtleiters (3) sowie von Interferenzfiltern (4.1; 4.2; 4.3) interessierender Strahlungsbereiche mittels einer opto-elektronischen Auswerteeinheit (5), dadurch gekennzeichnet, daß

- in einer Ulbricht′schen Kugel (1) mit konstanter Strahlungsquelle (14) sowohl die Weitwinkelsonde (WS) als auch eine Bezugssonde (BS) mit kleinem Erfas sungswinkel und bekannter Kalibrierung belichtet wird,
- die bei vorbeschriebener Belichtungsweise ermittelten opto-elektronischen Para meter beider Sonden (WS, BS) rechnerisch unter Hinzuziehung der optischen Grundparameter der Bezugssonde (BS) mit kleinem Erfassungswinkel und dem angewendeten Lichtleiter (3) zu einem bezogenen Kalibrierwert für die Weitwinkelsonde (WS) verarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bezugswerte (BW) für die Weitwinkelsonde (WS) nach folgenden Gleichungen ermittelt werden: darin bedeutet:
Differenzspannung dU = U_H - U_D
Hellspannung U_H
Dunkelspannung U_Dmit Indizes
- BS von Bezugssonde
- WS von Weitwinkelsonde
- λ₁ bis λ_z bei unterschiedlichen Wellenlängen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein bezogener Kalibrierwert nach folgender Formel berechnet wird, darin sind folgende Grundparameter aus dem Kalibriervorgang der Bezugssonde mittels eines Strahldichtenormals enthalten:
- gemessene Spannung mit der Bezugssonde BS bei Messung mit dem Strahldichtenormal;
τL λ_z - Transmissionsgrad der abbildenden Linse;
- spektrale Strahldichte des Strahldichtenormals gemäß Datenblatt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Grundparameter der Bezugssonde (BS) mit kleinem Erfassungswinkel und des für die künftigen Kalibrierungen anzuwendenden Lichtleiters (3) in einer üblichen Kalibrieranordnung mit Strahldichtenormal und abbildender Linse ermittelt werden.