Bestrahlungsmessgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein von äusseren Anschlüssen unabhängiges Bestrahlungsmessgerät in kleiner Baueinheit.
Auf verschiedenen Anwendungsgebieten tritt das Problem auf, die von einer Strahlen- oder Lichtquelle ausgesandte Strahlungs- oder Lichtmenge bzw. die auf ein Objekt auftreffende Bestrahlung oder Belichtung genau zu bestimmen. Das Objekt unterliegt hierbei in vielen Fällen einer photochemischen Umwandlung. Ist diese Umwandlung erwünscht, so ist die zu bestimmende Bestrahlung bzw. Belichtung zu dosieren; ist die Umwandlung eine unerwünschte Nebenwirkung, so können beispielsweise Materialänderungen oder Verbesserungen des Objektes anstrebenswert werden. Die genaue Kenntnis der absoluten Zahlenwerte für die gemessene Bestrahlung bzw. Belichtung ist in beiden Fällen für notwendige Rückschlüsse eine der wichtigsten Voraussetzungen.
Besondere Bedeutung hat das oben aufgezeigte Problem beispielsweise bei den Geräten zur Schnellprüfung der Lichtechtheit von Färbungen. Solche Geräte sind für die Prüfung von Textilien, Farben, Anstrichen, Lacken, Papieren, Folien, Gummibelägen, Kunststoffen u. ä. Werkstoffen bestimmt und simulieren u. a. im Zeitraffer die natürliche Bestrahlungseinwirkung auf die Stoffe. Erweist sich hierbei ein bestimmter Werkstoff für eine bestimmte in Luxsekunden oder Luxstunden dimensionierte Bestrahlung oder Belichtung als beständig, so erhält man ein Kriterium für die Lichtechtheit , was Rückschlüsse auf die Farbechtheit unter den natürlichen Einflüssen ermöglicht. Für die Qualität derartiger Prognosen ist mithin die genaue Messung der Bestrahlung bzw. Belichtung wichtigste Voraussetzung.
Bei bisher üblichen Geräten werden lediglich mit üblichen Chronometern die Betriebsstunden gezählt.
Aus einer gesonderten Ermittlung des von der Strahlungs- oder Lichtquelle ausgesandten Bestrahlungs Lichtstromes und der gemessenen Zeit wird die ungefähre Bestrahlungs- oder Beleuchtungsstärke errechnet. Es liegt auf der Hand, dass diese Ergebnisse ungenau sind, da hierbei nicht die auf die Proben tat schlich applizierte Bestrahlung oder Belichtung gemessen wird, die streng genommen das Integral über die zeitabhängige Bestrahlungs- bzw. Beleuchtungsstärke darstellt. Die auftretenden Abweichungen sind erheblich, da die Proben während eines Versuches in den üblichen Geräten nicht ortsfest angeordnet sind, sondern relativ zur Lichtquelle mehrere überlagerte Bewegungen ausführen. Deshalb liefern auch im Gerät ortsfest angebrachte Belichtungs- oder Bestrahlungsmesser keine besseren Ergebnisse.
Ausserdem werden bei den gebräuchlichen Geräten die Proben nicht nur dem Licht, sondern gleichzeitig anderen Klimaeinwirkungen ausgesetzt, was zusätzliche Abweichungen zur Folge hat.
Nach einer anderen bekannten Methode wird zur Bestimmung der effektiv auf die Proben einwirkenden Bestrahlung anstelle einer Probe eine Vergleichsprobe mit bekannten Beständigkeitseigenschaften der Bestrahlung ausgesetzt. Das Ergebnis wird hierbei durch einen Vergleich zwischen den unbekannten und den bekannten Proben festgestellt. Da aber bei dieser subjektiven Methode Fehlbeurteilungen nicht ausgeschlossen sind und man nur eine Probezuordnung in wenige, willkürlich festgelegte, dimensionslose Echtheitsstufen treffen kann, ist auch diese Methode unbefriedigend. Darüberhinaus ist diese Methode nur durch eine vorgegebene Normung bei Textilfasern anwendbar. Für die Prüfung von Lacken und Farben auf anderen Werkstoffen ist sie unbrauchbar.
Diese Nachteile und Schwierigkeiten werden durch die vorliegende Erfindung vermieden. Das erfindungsgemässe B estrahlungsmessgerät ist gekennzeichnet durch ein die zu messende Strahlung empfangendes Photo element, das über ein regelbares Glied elektrisch mit einem Elektrolytzähler verbunden ist, in dem ein der empfangenen Strahlung proportionales Volumen eines Indikators bestimmbar ausgeschieden wird.
Hiermit wird erstmalig ein Gerät geschaffen, das die Bestrahlung bzw. Belichtung entsprechend der Definition He =fEe(t)dt bzw. H rE(t)dt unmittelbar an der Einwirkungsstelle misst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Strahlengang ein Filter vor dem Photoelement angeordnet. Damit wird ein Strahlungsempfangssystem geschaffen, das eine für den erwünschten Bereich geeignete spektrale Empfindlichkeit vorgibt.
Durch die Anordnung eines geeigneten Filters vor dem photoelektrischen Empfänger ist es vorteilhafterweise möglich, die spektrale Empfindlichkeit des Empfangssystems an die spektrale Empfindlichkeit des photochemischen Prozesses anzupassen, dem auch die zu untersuchenden Proben unterworfen sind.
Unter dieser Voraussetzung ist der gemessene Zahlenwert ein objektives Mass für die photochemische Wirkung, das von der spektralen Energieverteilung der Strahlenquelle unabhängig ist. Ferner lässt sich der zu untersuchende Bereich durch auswechselbare Filter variabel gestalten.
Die dem Empfangssystem zugeführte Energie wird in dem Photo element in einen Strom umgewandelt. Um eine für den Elektrolytzähler ausreichende Spannung zu erzeugen, lassen sich vorteilhafterweise mehrere Photoelemente hintereinanderschalten.
Weiterhin kann das Bestrahlungsmessgerät z. B. durch einen variablen Widerstand auf verschiedene Messbereiche eingestellt werden. Ist das Gerät durch Einstellen des Widerstandes einmal geeicht worden, besteht eine in dieser Weise festgelegte Relation zwischen den am Elektrolytzähler ablesbaren Skalenteilen und den zugeordneten Zahlenwerten der Bestrahlung oder Belichtung, z. B. in Wattsekunden pro Fläche (W.s.m-2) oder Luxstunden (lx.h).
Ist die spektrale Energieverteilung der Strahlenquelle bekannt und liegt die Eichung bereits vor, so lässt sich für jeden beliebigen Spektralbereich die entsprechende Relation zwischen den abgelesenen Skalenteilen und den zugeordneten Zahlenwerten der Bestrahlung errechnen. Das gleiche gilt auch für die Relation zwischen den abgelesenen Skalenteilen und den zu ermittelnden Zahlenwerten der Belichtung.
Vorzugsweise besteht der Elektrolytzähler aus einem mit Elektrolyt gefüllten, im wesentlichen vertikal ausgerichteten Hohlkörper mit einem oben befindlichen Kopfteil und einem nach unten anschliessenden dünnen Messrohr, wobei beispielsweise im Kopfteil oberhalb und unterhalb einer zur Horizontalen geneigten Fritteplatte Elektroden angeordnet sind, von denen die obere Elektrode in den vorzugsweise aus Quecksilber bestehenden, auf der geneigten Fritteplatte gelagerten Indikator eintaucht und die untere Elektrode in das Elektrolyt eintaucht. Das durch den an die Elektroden angelegten Strom ausgeschiedene Quecksilber sammelt sich in dem vertikal stehenden Messrohr, das aus Glas besteht und an dem der Stand der Quecksilberkuppe mit Hilfe einer in der gewünschten Einheit eingeteilten Skala abgelesen werden kann.
Vorteilhafterweise ist der Elektrolytzähler so gestaltet, dass der Pegel des Quecksilbers auf der geneigten Fritteplatte unterhalb einer an der höchsten Stelle gelegenen oeffnung in der Platte liegt, wobei die Platte derart geneigt und die Öffnung so angeordnet ist, dass sowohl eine für eine Maximalanzeige ausreichende Menge von Quecksilber vorhanden ist, als auch bei rotierender oder oszillierender Axialbewegung der Messzelle um eine vertikale Achse keine Verluste durch die Öffnung auftreten. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Elektrolytzähler auch in solchen Geräten verwendet werden kann, in denen das gesamte Empfangs system den gleichen Bedingungen unterworfen ist, wie eine Materialprobe. Das Empfangssystem kann folglich ebenso wie die Probe relativ zur Lichtquelle bewegt werden.
Die Bewegung bleibt hierbei ohne Einfluss auf das Messergebnis, wodurch sichergestellt ist, dass nur infolge der elektrischen Einwirkungen Quecksilber durch die Fritteplatte dringt und nicht infolge mechanischer Kräfte durch eine höher gelegene Öffnung getrieben wird.
Diese Öffnung dient vielmehr lediglich dazu, den Elektrolytzähler nach einer erfolgten Messung zu regenerieren, d. h. einen gewollten Rückfluss des Quecksilbers auf den oberen Teil der Fritteplatte durch Drehen des Gerätes um eine horizontale Achse zu ermöglichen.
Der Elektrolytzähler ist vorzugsweise ein Wasserstoff-Elektrolytzähler, dessen Volumen an elektrolytisch entwickeltem Wasserstoff proportional der empfangenen Strahlung ist.
Vorzugsweise wird das aus Photoelement und Filter bestehende Empfangssystem und der Elektrolytzähler als geschlossenes System zu einer abgekapselten Einheit geformt, die in Form und Grösse einem Probenträger eines üblichen Gerätes nachgebildet ist, wobei auf der Empfangsseite das Photoelement z. B. hinter einem Filter bestrahlbar angeordnet und auf der entgegengerichteten Seite vorzugsweise das mit einer Skala versehene Messrohr sichtbar ist.
Auf diese Weise wird eine von einer zusätzlichen Energiequelle unabhängige Einheit gebildet, die den wirklichen Anforderungen, denen auch die zu bestrahlenden Proben ausgesetzt sind, in der Funktion und Gestalt vollkommen angepasst ist. Vorteilhafterweise wird für die Darstellung des Messergebnisses lediglich die Strahlungsenergie ausgenutzt. Zusätzliche elektrische oder andere Anschlüsse entfallen mithin.
Durch die handliche Ausbildung zu einer kleinen Baueinheit kann das Bestrahlungsmessgerät, in einem üblichen Gerät eingesetzt, während des Betriebes sämtliche Bewegungen ebenso wie auch ein beliebiger Probenträger ausführen. Beispielsweise bewegt sich das Bestrahlungsmessgerät auf einem Karussell um die Lichtquelle herum. Hierbei wird das Messgerät wie jeder Probenträger nach je einem Umlauf um 1800 geschwenkt, wodurch der für den Probentest erwünschte Hell-Dunkel-Wechsel ebenfalls unmittelbar in das Messergebnis eingeht.
Nach einer erfolgten Messung kann das Bestrahlungsmessgerät durch einfaches Kippen um eine horizontale Achse in die Ausgangs-Nullstellung für eine weitere Messung gebracht werden. Hierbei fliesst beispielsweise das ausgeschiedene Quecksilber durch die oben erwähnte Öffnung in den oberen Kopfteil der Messzelle auf die Fritteplatte zurück.
Nachstehend werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Bestrahlungsmessgerät
Fig. 2 in perspektivischer Ansicht die Anordnung eines Bestrahlungsmessgerätes in einem Schnellprüfgerät zur Prüfung der Licht- und Wetterechtheit von Färbungen.
Die von einer beliebigen Strahlenquelle 10 ausgesandte Strahlung, welche durch Pfeile 12 versinnbildlicht ist, trifft zunächst auf ein Filter 14 und dann auf ein Photoelement 16. Das Photoelement 16 hat zumeist eine ausgeprägte maximale spektrale Empfindlichkeit. Um die spektrale Empfindlichkeit des Elements 16 über den gesamten Bereich des benutzten Spektrums auszugleichen, wird das Filter 14 vorgeschaltet.
Bei beispielsweise verwendeten, handelsüblichen Silicium-Photoelementen steigt die spektrale Empfindlichkeit von 4000 A an und erreicht ihr Maximum bei 8500 . Dieser Anstieg innerhalb des spektralen Bereichs kann im vorliegenden Fall durch ein blau-grün Filter, z. B. BG 18, nahezu ausgeglichen werden. Die in dieser Weise korrigierte Empfindlichkeit verläuft innerhalb des für bestimmte Untersuchungen interessierenden Spektralbereiches annähernd konstant.
Der durch die auftreffende Strahlung im Element 16 erzeugte Strom fliesst über den variablen Widerstand 18 zu den Elektroden 20 und 22 des Elektrolytzählers 24.
Dieser Zähler 24 besteht aus einem kopfartigen Glaskolben 26, in dem eine Fritteplatte 28 zur Horizontalen derart angeordnet ist, dass sich die Elektrode 20 oberhalb und die Elektrode 22 unterhalb der Fritteplatte 28 befinden. Am höchstgelegenen Punkt der Fritteplatte 28 ist eine gegenüber der sonst im ganzen halbpermeablen Fritteplatte grössere Öffnung 30. Oberhalb der Fritteplatte ist eine bestimmte Menge von Quecksilber 32 eingelassen, die mit der Elektrode 20 in elektrischer Verbindung steht. Der Quecksilberspiegel steigt jedoch nicht über den unteren Rand der Öffnung 30. Das untere Ende des Glaskolbens ist mit einem vertikalen Messrohr 34 verbunden. Das Messrohr und der oben anschliessende Innenraum des Kolbens 26 ist mit einem Elektrolyt 36 gefüllt. In diesen Elektrolyt 36 taucht die Elektrode 22 ein.
Durch den vom Photoelement 16 gelieferten Strom wird innerhalb des Elektrolytzählers 24 Quecksilber derart ausgeschieden, dass es von dem oberen, oberhalb der Fritteplatte 28 gelegenen Raum in den unteren Raum dringt und sich schliesslich im Messrohr 34 ansammelt. Die Menge des ausgeschiedenen Quecksilbers ist abhängig von der Stärke des Stroms und von der Einwirkungsdauer.
Da der Strom wiederum proportional der Bestrahlungsstärke ist, ergibt die Menge des ausgeschiedenen Quecksilb, ers ein Mass für die gesuchte Bestrahlung oder Belichtung : MHg = c'I Ee (t) dt bzw. MHg = c f E (t) dt oder M' =rEe(t)dt bzw. MHg (t) dt ; hierin bedeuten Mag die abgeschiedene Quecksilbermenge und c bzw. c'einen Eichfaktor.
Wird r E(t)dt in der Einheit [txs] und Mag in [g] gemessen, so wird der Eichfaktor c in der Einheit [g. 1x-'s-'] gemessen; entsprechend wird der Eichfaktor c' in der Einheit [W-' . s-1m2j gemessen, wenn I Ee(t)dt in der Einheit [Wsm-2] gemessen wird. Misst man nicht die abgez schiedene Quecksilbermenge, sondern die Skalenteile, so erhält man für c bzw. c'die Einheit [Skalenteile.
1x-1 . bzw. bzw. [Skalenteile. W¯t . s-'m2J.
In Fig. 2 ist in bevorzugter Ausführungsform ein Anwendungsbeispiel des Bestrahlungsmessgerätes dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Anwendung in einem Schnellprüfgerät zur Prüfung der Lichtund Wetterechtheit von Färbungen.
Um eine Lichtquelle 40, beispielsweise einen Xenonstrahler, die von einem Filter 42 umgeben ist, um annähernd die spektrale Energieverteilung des Sonnenlichtes zu erzeugen, befinden sich auf einem Karussell 44 mehrere Probenträger 46. Das Karussell 44 führt während des Versuchs ablaufes eine Kreisbewe- gung um die Strahlenquelle 40 aus. Die Probenträger 46, die in Einsteckfassungen 48 drehbar gelagert sind, werden nach einem Umlauf um 1800 geschwenkt, so dass die auf beiden Seiten auf den Probenträgern angeordneten Proben bei jedem Umlauf der Bestrahlung ausgesetzt sind. Gleichzeitig erreicht man auf diese Weise einen der Wirklichkeit nachempfundenen Hell-Dunkel-Wechsel. Für die Bestimmung der auf die Proben einwirkenden Bestrahlung wird nun eine Fassung 48 anstelle eines Probenträgers 46 in das Bestrahlungsgerät 50 eingesetzt.
In der vom Betrachter abgewandten Wandseite ist das Photoelement 16 eingelassen, während in der dem Betrachter zuge wandten Seite das Messrohr 34 mit der Skala 38 sichtbar ist.