Ausgehend von diesen Anforderungen wurde eine Kalibriereinrichtung für die CFT-Maschine entwickelt. Sie wurde dabei so konstruiert, da\3 sie im Gehäuse des Ozean-Instrumentes (siehe Kapitel 6) integriert werden konnte. In den Abbildungen 3.11 und 3.12 ist jeweils ein Längs- bzw. Querschnitt durch die Kalibriereinrichtung dargestellt. Abbildung 3.13 zeigt eine dreidimensionale Visualisierung der geometrischen Anordnung innerhalb der Kalibriereinrichtung.
bbquer
Abbildung: Querschnitt durch die Kalibriereinrichtung der
CFT-Maschine. Man erkennt die geometrische Anordnung der
Kalibrierkörper und des Referenzkörpers.
bblaengs
Abbildung: Längsschnitt durch die Kalibriereinrichtung der
CFT-Maschine. Es ist nur der untere Teil mit den
Kalibrierkörpern dargestellt. Der dünnere
Aluminiumblock 
dient zur Kalibrierung des Lasers (siehe
Kapitel 6).
sw_bb
Abbildung: (Farbdruck findet sich als Abb. 11.3 auf Seite 
) Dreidimensionale Visualisierung der
entwickelten Kalibriereinrichtung. Das transparent dargestellte
Au\3engehäuse besteht aus Aluminium. Der Strahlengang der
Infrarotkamera beim Kalibriervorgang ist als roter Strahl
dargestellt. Unter der Deckenabdeckung ist der schräg montierte
Referenzkörper zu erkennen. Die geschwärzten Bereiche des
Innenraumes sind mit Tetenal Kameralack beschichtet, die hellen
Bereiche weisen eine unbehandelte Aluminiumoberfläche auf. Der
Blickwinkel zeigt den dünnen Laser Kalibrierblock auf der
Frontseite. Die dickeren Kamerakalibrierblöcke liegen dahinter.
In einer Aluminiumbox befinden sich vier massive
Aluminiumblöcke (Abb. 3.12). Drei davon haben
identische Abmessungen, der vierte hat nur ein
Viertel der Dicke, jedoch dieselbe horizontale Ausdehnung. Die
Oberflächen der drei dicken Aluminiumblöcke
, 
und 
stellen die eigentlichen Kalibrierflächen dar. Der mittlere
Block ist thermisch von allen anderen Teilen der
Kalibriereinrichtung
isoliert. Seine Temperatur unterscheidet sich daher nur
unwesentlich von der Umgebungstemperatur 
. Ändert sich die
Temperatur der äu\3eren Box, kann nur durch
direkte Strahlung Wärme zwischen ihm und der Box ausgetauscht
werden.
Die beiden Blöcke und links und rechts davon werden
gekühlt bzw. geheizt. Dies geschieht durch je einen Satz von
vier Peltierelementen, die sich über die gesamte Unterseite der
Kalibrierblöcke ausdehnen. Die vier Peltierelemente eines
Blockes sind in Reihe geschaltet. Beide Peltierketten liegen
an 2.5V Versorgungsspannung, sind jedoch umgekehrt gepolt.
Dadurch heizt die eine Kette und die andere kühlt. Beide
Peltierketten
sind auf der Unterseite mit derselben Aluminiumplatte P
verbunden. Diese dient beiden als gemeinsames Wärmereservoir.
heatflow
Abbildung: Schematische Darstellung der Wärmeflüsse, die
zwischen dem geheizten und dem gekühlten Kalibrierblock über
die untere Aluplatte ausgetauscht werden. Die Peltierelemente
dienen dabei als Wärmepumpen.
Insgesamt wirken die Peltierkühler als Wärmepumpen.
Abbildung 3.14 zeigt schematisch die verschiedenen
Wärmeflüsse. Die
heizende Peltierkette entzieht der unteren Platte P Wärme,
die in den darüberliegenden Kalibrierkörper
transportiert wird (
). Die kühlenden Peltierelemente
entziehen umgekehrt dem
kalten Kalibrierblock Wärme, die in die Aluplatte P
gepumpt wird (
). Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit
von
Aluminium werden die Wärmequellen bzw. -senken schnell innerhalb der
Platte P ausgeglichen (
). Dadurch ändert sich die
Temperatur des Wärmereservoirs nur geringfügig. Dies
verhindert wiederum,
da\3 der mittlere Alublock durch direkte Strahlung der
darunterliegenden Platte aufgeheizt oder abgekühlt wird.
Insgesamt wird, als Nettoeffekt, Wärme vom kalten in den
warmen Kalibrierblock gepumpt. Die untere Platte P wirkt als
Wärmeleiter, ohne sich dabei aufzuheizen.
Ein geringer
Wärmeüberschu\3 wird dennoch erzeugt. Dieser stammt aus der
Aufheizung der Peltierelemente selbst durch ihren Ohmschen
Widerstand. Diese Restwärme heizt die untere Aluplatte P
geringfügig gegenüber der Raumtemperatur auf (
).
Durch
ihre gro\3e Masse und die hohe spezifische Wärmekapazität von
Aluminium ist dies ein langsamer Vorgang. Die
U-Form der Platte (Abb. 3.11) dient dabei als
Kühlkörper. An den senkrechten Seitenwänden kann freie Konvektion
stattfinden, die selbst geringe Temperaturdifferenzen zwischen
der Platte und der umgebenden Luftschicht ausgleicht.
Ein Leistungsmerkmal von Peltierelementen macht sie
besonders geeignet zum Einsatz in der Kalibriereinrichtung. Solange
beide Seiten eines Peltierelementes dieselbe Temperatur haben,
wird mit der maximalen elektrischen Leistung 
Wärme
von der einen Fläche zur anderen gepumpt. U bezeichnet dabei
die angelegte Versorgungsspannung und I den Strom, der sich
aufgrund des Ohmschen Widerstandes einstellt. Mit steigender
Temperaturdifferenz 
zwischen den beiden Flächen
wird eine Thermospannung erzeugt, die entgegengesetzt zur
Versorgungsspannung gepolt ist. Dadurch sinkt der
Strom und damit die Pumpleistung des Peltierelementes. Die
maximal mögliche Temperaturdifferenz ergibt sich,
wenn die Thermospannung die Grö\3e der
Versorgungsspannung erreicht und damit die angelegte Spannung
vollständig kompensiert. Diese Eigenschaft ermöglicht es,
die gewünschte Temperaturdifferenz mit der
Versorgungsspannung zu regulieren. Ändert sich die
Temperatur der geheizten, bzw. gekühlten Flächen durch
Wärmeaustausch mit der Umgebung, so wird
diese Temperaturdifferenz
durch ein erneutes Ansteigen des Stroms wieder ausgeglichen. Beim
Erreichen der Gleichgewichtstemperatur flie\3t somit nur noch
der Strom, der zum Aufrechterhalten der Temperatur benötigt
wird. Ein Peltierelement reguliert dadurch automatisch die
Temperatur bei minimalem Leistungsverbrauch.
Tabelle 3.1 zeigt die Temperaturen der drei
Kalibrierblöcke nach ca. 2 Stunden Betriebszeit der
Peltierelemente.
Tabelle: Temperaturen der
Kalibrierkörper nach 2 Stunden Betrieb der Kalibriereinrichtung.
Da sich bei der oben beschriebenen Anordnung der Peltierkühler
die Temperaturdifferenz immer relativ zur unteren Aluplatte P
einstellt, reguliert diese automatisch den Offset der
Temperaturdifferenz. Ihre Temperatur liegt nur unwesentlich
höher als die Umgebungstemperatur. Dadurch werden immer drei
Referenztemperaturen erzeugt, die im Bereich von 
C oberhalb und unterhalb der Umgebungstemperatur
liegen.