CZ35949U1

CZ35949U1 - Equipment for thermographic temperature measurement

Info

Publication number: CZ35949U1
Application number: CZ202139327U
Authority: CZ
Inventors: Milan Honner; Milan prof. Ing Honner; Vladislav LANG; Vladislav Ing Lang; Michal Ĺ vantner; Michal Ing Švantner; Jan Ĺ roub; Jan Ing Šroub; Tomáš Kohlschütter; Tomáš Ing Kohlschütter; Jan Klepáček; Jan Ing Klepáček
Original assignee: Západočeská Univerzita V Plzni
Priority date: 2021-11-01
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2022-04-19

Description

Zařízení pro termografické měření teplotyEquipment for thermographic temperature measurement

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká oblasti kvantitativní termografie, zejména pak termografíckého měření teploty osob, ale i dalších aplikací kde jsou zvýšené nároky na přesnost bezkontaktního stanovení plošného rozložení měřené teploty a zaměřuje se zejména na zařízení pro přesné termografické měření teploty.The technical solution concerns the field of quantitative thermography, especially thermographic temperature measurement of people, but also other applications where there are increased demands on the accuracy of non-contact determination of the area of measured temperature and focuses mainly on equipment for accurate thermographic temperature measurement.

Dosavadní stav technikyState of the art

Infračervené termografické měření je metoda měření plošného rozložení teploty objektů založená na detekci infračerveného záření vycházejícího z jejich povrchu. Teplota je měřicím systémem vyhodnocována na základě znalosti plošného rozložení infračerveného záření dopadajícího na detektor a dalších hodnot kvantifikujících působící tepelné procesy odrazu okolí či propustnosti prostředí.Infrared thermographic measurement is a method of measuring the surface temperature distribution of objects based on the detection of infrared radiation emanating from their surface. The temperature is evaluated by the measuring system on the basis of knowledge of the area distribution of infrared radiation incident on the detector and other values quantifying the thermal processes of ambient reflection or transmittance.

Základní součástí termografíckého systému je optický systém, tedy například objektiv, kterým prochází infračervené záření a je usměrňováno tak, aby dopadlo na detektor či senzor infračerveného záření. Ten přeměňuje toto záření na elektrický signál a je základním prvkem termografických systémů. Dále jsou součástí termografických systémů elektronické a softwarové systémy zajišťující zpracování elektrického signálu z detektoru a jeho interpretaci ve formě teplotních polí zobrazených v tak zvaném termogramu a další nástroje, například pro nastavení parametrů měřeného objektu a okolí, uvažování parametrů optického systému, ovládání a řízení celého systému a export měřených dat.The basic part of a thermographic system is an optical system, ie, for example, a lens through which infrared radiation passes and is directed so that it hits the infrared radiation detector or sensor. It converts this radiation into an electrical signal and is an essential element of thermographic systems. The thermographic systems also include electronic and software systems providing processing of the electrical signal from the detector and its interpretation in the form of temperature fields displayed in the so-called thermogram and other tools, such as setting parameters of the measured object and environment, considering optical system parameters, control and management of the whole system and export of measured data.

Z hlediska principu senzoru infračerveného záření se rozlišují tepelné detektory a fotonové detektory. Nejběžnější detektory infračerveného záření jsou v současné době tepelné detektory založené na mikrobolometrických polích, tedy maticích miniaturních bolometrických detektorů, které mění svůj elektrický odpor v závislosti na své teplotě. Teplota senzoru se mění v závislosti na množství pohlceného infračerveného záření. Změna teploty a tím i jejich odporu však ve skutečnosti může být ovlivněna mnoha dalšími faktory, například teplotou okolí. Aby byla změna teploty bolometru úměrná pouze absorbovanému infračervenému záření, je pro celý systém podstatná vhodná geometrická konfigurace, zejména izolace detektoru od okolí, ale také systém korekcí a kompenzací celého systému.From the point of view of the principle of the infrared radiation sensor, thermal detectors and photon detectors are distinguished. The most common infrared detectors today are thermal detectors based on microbolometric fields, ie matrices of miniature bolometric detectors that change their electrical resistance depending on their temperature. The sensor temperature varies depending on the amount of infrared radiation absorbed. However, the change in temperature and thus their resistance can in fact be influenced by many other factors, such as ambient temperature. In order for the temperature change of the bolometer to be proportional only to the absorbed infrared radiation, a suitable geometric configuration is essential for the whole system, especially the isolation of the detector from the surroundings, but also the system of corrections and compensations of the whole system.

Běžným řešením u bolometrických kamer je například měření teploty detektoru ajeho okolí a využití pohyblivé clonky mezi detektorem a objektivem, přičemž jedno konkrétní řešení je popsáno v dokumentu US 6929410 B2. Clonka se v určitých intervalech na krátkou dobu uzavírá a na základě její teploty a známých vlastností je provedena korekce a kalibrace měřených hodnot. Způsob provedení těchto korekcí, použité materiály, geometrická konfigurace uspořádání a použité algoritmy jsou stěžejní pro výslednou přesnost a stabilitu měřicího infračerveného systému. Zatímco citlivost, tedy teplotní rozlišení, u termografických kamer založených na bolometrických detektorech může být i lepší než 0.05 °C, přičemž citlivost chlazených fotonových detektorů bývá ještě vyšší, tak jejich přesnost z hlediska kvantitativního stanovení správné teploty se většinou pohybuje v rozmezí od ±2 °C až po ±5 °C nebo i horší v závislosti na konstrukci zařízení, okolních podmínkách a měřeném teplotních rozsahu. Různé principy, přístupy a metody řešení vnitřního uspořádání termografických systémů jsou podrobně popsány v odborných publikacích a patentových dokumentech například v US 5994701 A, US 6267501 Bl, US 6476392 Bl, US 6953932 B2, US 7105818 B2, US 8049163 Bl nebo WO 0184118 A2.A common solution for bolometric cameras is, for example, to measure the temperature of the detector and its surroundings and to use a movable aperture between the detector and the objective, one specific solution being described in US 6929410 B2. The shutter closes at short intervals and, based on its temperature and known properties, the measured values are corrected and calibrated. The method of making these corrections, the materials used, the geometric configuration of the arrangement and the algorithms used are crucial for the resulting accuracy and stability of the infrared measuring system. While the sensitivity, ie temperature resolution, of thermographic cameras based on bolometric detectors can be better than 0.05 ° C, while the sensitivity of cooled photon detectors is even higher, their accuracy in terms of quantitative determination of the correct temperature is usually in the range of ± 2 ° C up to ± 5 ° C or worse depending on the device design, ambient conditions and measured temperature range. Various principles, approaches and methods for solving the internal arrangement of thermographic systems are described in detail in professional publications and patent documents, for example in US 5994701 A, US 6267501 B1, US 6476392 B1, US 6953932 B2, US 7105818 B2, US 8049163 B1 or WO 0184118 A2.

Nevýhodou těchto běžných termografických systémů v aplikacích s vysokými nároky na absolutní přesnost měření je jejich nedostatečná přesnost a dlouhodobá teplotní stabilita. Přesnost určeníThe disadvantage of these conventional thermographic systems in applications with high demands on absolute measurement accuracy is their insufficient accuracy and long-term temperature stability. Accuracy of determination

- 1 CZ 35949 UI teploty představuje rozdíl mezi skutečnou teplotou měřeného objektu a teplotou určenou měřicím přístrojem typicky při měření teploty referenčního zdroje záření (tzv. černého tělesa). Teplotní stabilita termografického systému vyjadřuje, jak se teplota určená měřicím systémem mění při měření referenčního zdroje záření o konstantní teplotě v závislosti na vnějších a vnitřních teplotních podmínkách. V případě běžných termografických systémů je výrobci udávána přesnost ±2 °C nebo horší, která v sobě obsahuje i vlivy teplotní stability. Pro relevantní měření teploty osob za účelem zjištění jejich zvýšené teploty, respektive horečky, kdy požadujeme přesnost v řádu desetin °C typicky v rozsahu 35 až 40 °C, proto není běžný termografický systém použitelný.- 1 CZ 35949 Temperature UI represents the difference between the actual temperature of the measured object and the temperature determined by the measuring instrument, typically when measuring the temperature of a reference radiation source (so-called black body). The thermal stability of a thermographic system expresses how the temperature determined by the measuring system changes when measuring a reference radiation source at a constant temperature depending on the external and internal temperature conditions. In the case of conventional thermographic systems, the manufacturer states an accuracy of ± 2 ° C or worse, which also includes the effects of thermal stability. For relevant temperature measurements of persons in order to determine their elevated temperature or fever, where we require an accuracy in the order of tenths of ° C, typically in the range of 35 to 40 ° C, therefore a conventional thermographic system is not applicable.

Pro zvýšení přesnosti termografických systémů se využívá kalibračního zařízení, kterým je tak zvané referenční černé těleso. Černé těleso je zařízení, které vydává infračervené záření úměrné jeho teplotě, přičemž přesnost a stabilita jeho teploty je vyšší než přesnost běžné termografické kamery a běžně dosahuje přesnost ± 0.5 °C a stabilitu ±0.1 °C.To increase the accuracy of thermographic systems, a calibration device is used, which is the so-called reference black body. A black body is a device that emits infrared radiation proportional to its temperature, the accuracy and stability of its temperature being higher than that of a conventional thermographic camera, and it normally achieves an accuracy of ± 0.5 ° C and a stability of ± 0.1 ° C.

Černé těleso se standardně umísťuje tak, aby bylo v jednom záběru s měřeným objektem a v podobné vzdálenosti jako měřený objekt, aby byly černé těleso i měřený objekt zaostřené. Termografický záznam z oblasti černého tělesa, u kterého se předpokládá známá teplota, se poté využije ke korekci celého termogramu. Korekce se v nejjednodušším případě provádí odečtením rozdílu teploty černého tělesa měřené termografickou kamerou a jeho skutečné teploty od zbytku termogramu. Ideální přitom je, když je teplota černého tělesa co nejblíže k teplotě měřeného objektu. Černé těleso může fimgovat buď zcela nezávisle na termografické kameře anebo může být s termokamerou spojené do jednoho systému.By default, the black body is positioned so that it is in one engagement with the measured object and at a similar distance as the measured object, so that both the black body and the measured object are in focus. The thermographic record from the area of the black body at which the known temperature is assumed is then used to correct the entire thermogram. In the simplest case, the correction is made by subtracting the difference between the temperature of the black body measured by the thermographic camera and its actual temperature from the rest of the thermogram. Ideally, the temperature of the black body is as close as possible to the temperature of the object being measured. The black body can either function completely independently of the thermographic camera or it can be connected to the thermal camera in one system.

Nevýhodou těchto termografických systémů s černým tělesem je nutnost využívat dvě zařízení, z nichž jedno je vzdálené od měřeného objektu, tedy termografická kamera a jedno jev blízkosti měřeného objektu, tedy černé těleso. To velmi komplikuje obsluhu celého systému. Zásadní nevýhodou a omezením je požadavek, aby černé těleso bylo neustále v zorném poli kamery. To většinou vede na řešení s fixní geometrickou konfigurací černého tělesa a termografické kamery, kdy i při malých změnách polohy jednoho z těchto zařízení je nutné provést kontrolu polohy černého tělesa v zorném poli kamery a označení oblasti černého tělesa v záběru kamery, ze které se následně stanovuje korekce pro celý termogram.The disadvantage of these thermographic systems with a black body is the need to use two devices, one of which is remote from the measured object, ie the thermographic camera and one phenomenon near the measured object, ie the black body. This greatly complicates the operation of the entire system. A major disadvantage and limitation is the requirement that the black body be constantly in the field of view of the camera. This usually leads to a solution with a fixed geometric configuration of the black body and thermographic camera, where even with small changes in the position of one of these devices it is necessary to check the position of the black body in the field of view and mark the area of the black body in the camera correction for the whole thermogram.

Jako výrazná nevýhoda se také projevuje nutnost umístění černého tělesa do blízkosti měřeného objektu, což často vede k nutnosti umístění buď termografické kamery, nebo černého tělesa do volného prostoru, což se jeví jako komplikace v praktické instalaci termografického systému. Toto řešení je nicméně často dodáváno jako standardní set například pro termografické měření teploty osob.A significant disadvantage is the need to place the black body near the measured object, which often leads to the need to place either a thermographic camera or a black body in free space, which appears to be a complication in the practical installation of the thermographic system. However, this solution is often supplied as a standard set, for example for thermographic measurement of human temperature.

Pokud nelze aplikovat výše uvedené řešení, jako alternativní možnost lze použít pohyblivé černé těleso, které se na potřebný časový okamžik vloží před objektiv, provede se kalibrace, tedy stanovení korekce, a následně je ze zorného pole kamery černé těleso odstraněno a provádí se záznam teplot měřeného objektu. Předpokládá se přitom, že pokud se měření provede krátce po kalibraci, tak se podmínky a korekční konstanta zásadně nezmění. Tento způsob je ovšem většinou méně přesný než systém se statickou konfigurací termografické kamery a černého tělesa, které je po celou dobu měření v záběru kamery. Nevýhodou je také složitější manipulace s jednotlivými částmi systému, kterou je nutno provádět po celou dobu měření. To značně omezuje univerzálnost takového měřicího systému a snižuje možnosti jeho využití.If the above solution cannot be applied, a moving black body can be used as an alternative, which is inserted in front of the lens for the required time, calibration is performed, ie the correction is determined, and then the black body is removed from the camera field of view and the measured temperature is recorded. object. It is assumed that if the measurement is performed shortly after calibration, the conditions and the correction constant will not change fundamentally. However, this method is usually less accurate than a system with a static configuration of a thermographic camera and a black body, which is engaged by the camera throughout the measurement. The disadvantage is also more complicated handling of individual parts of the system, which must be performed throughout the measurement. This considerably limits the versatility of such a measuring system and reduces the possibilities of its use.

Nevýhodu složitější manipulace do jisté míry odstraňuje řešení s černým tělesem integrovaným na tělo kamery podle WO 2005092051 A2. Také v tomto případě se jedná o pohyblivý systém, kde je černé těleso přichycené zvenku na tělo kamery a je pro provedení kalibrace v určitých časech vyklopeno tak, že zakryje celý objektiv, následně je provedena kalibrace a korekce měřených hodnot a potom je průzor objektivu zase uvolněn a probíhá měření standardním způsobem. TotoThe disadvantage of more complex handling is to some extent eliminated by the solution with a black body integrated on the camera body according to WO 2005092051 A2. Also in this case it is a moving system, where the black body is attached to the outside of the camera body and is tilted to perform calibration at certain times to cover the entire lens, then calibration and correction of measured values and then the lens window is released again and the measurement is performed in a standard manner. This

- 2 CZ 35949 UI řešení zvyšuje mobilitu celého systému, neřeší ovšem výše uvedené nedostatky vyplývající z periodické podstaty kalibrace a nutnosti mechanické manipulace s černým tělesem.- 2 CZ 35949 UI solution increases the mobility of the whole system, but does not solve the above-mentioned shortcomings resulting from the periodic nature of calibration and the need for mechanical manipulation of the black body.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedené nedostatky jsou v podstatné míře odstraněny u zařízení pro přesné termografické měření teploty podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že nejméně jeden kalibrační tepelný člen i detektor jsou upevněny v pouzdru, přičemž kalibrační tepelný člen je trvale umístěn v zorném poli.These shortcomings are substantially eliminated in the device for accurate thermographic temperature measurement according to the technical solution, the essence of which is that at least one calibration thermal element and the detector are mounted in a housing, the calibration thermal element being permanently located in the field of view.

Mezi detektorem a kalibračním tepelným členem je uložen objektiv, clona a ochranné sklo. Kalibrační tepelný člen je umístěn od detektoru ve vzdálenosti od 20 do 300 mm.A lens, aperture and protective glass are placed between the detector and the calibration thermal element. The calibration thermal element is located from the detector at a distance of 20 to 300 mm.

Vnější povrch pouzdra je v kontaktu s vnějším prostředím.The outer surface of the housing is in contact with the external environment.

Kalibrační tepelný člen je výhodně opatřen teplotním čidlem a/nebo topným elementem.The calibration heat element is preferably provided with a temperature sensor and / or a heating element.

Vyzařovací plocha kalibračního tepelného členu je vyrobena z materiálu s emisivitou v rozmezí 0.7 až 1.The radiating surface of the calibration thermometer is made of a material with an emissivity in the range of 0.7 to 1.

Ve výhodném provedení kalibrační pole kalibračního tepelného členu zabírá dvě až třicet procent plochy zorného pole.In a preferred embodiment, the calibration field of the calibration heat element occupies two to thirty percent of the field of view.

Výhody zařízení pro termografické měření podle technického řešení jsou v přesnosti určení teploty měřeného objektu a komfortu jeho použití, a to jak pro osoby zajišťující jeho obsluhu, tak pro měřené osoby.The advantages of the device for thermographic measurement according to the technical solution are in the accuracy of determining the temperature of the measured object and the comfort of its use, both for the persons providing its operation and for the measured persons.

Tím, že je kalibrační tepelný člen integrován do pouzdra zařízení a je trvale umístěn v zorném poli, dochází při měření k průběžné korekci tepelných procesů způsobujících nepřesnosti určení skutečné teploty měřeného objektu. Navržené zařízení může být přitom plně kompaktní, přenosné a vhodné jak pro manuální použití, tak pro fixní připevnění.Due to the fact that the calibration thermal element is integrated into the housing of the device and is permanently located in the field of view, the thermal processes causing inaccuracies in determining the actual temperature of the measured object are continuously corrected during the measurement. The designed device can be fully compact, portable and suitable for both manual use and fixed mounting.

V rámci stávajícího stavu techniky se používala termografická zařízení s kalibračními členy, které nebyly při měření trvale umístěny v zorném poli. Tím, že je kalibrační člen trvale umístěn v zorném poli, dochází v průběhu měření k průběžné korekci tepelných procesů ovlivňujících naměřené hodnoty teplot, výsledkem je proto zvýšení přesnosti určení skutečné teploty měřeného objektu.In the current state of the art, thermographic devices with calibration members were used, which were not permanently placed in the field of view during the measurement. Due to the fact that the calibration element is permanently located in the field of view, the thermal processes affecting the measured temperature values are continuously corrected during the measurement, the result is therefore an increase in the accuracy of determining the actual temperature of the measured object.

V rámci stávajícího stavu techniky se používala termografická zařízení s kalibračními členy, které nebyly součástí vlastního těla měřicího systému. To s sebou přinášelo omezení uživatelského komfortu jak při přípravě měřicího systému, tak při samotném měření. Tím, že je kalibrační člen trvalou součástí pouzdra, je celé termografické zařízení kompaktní, okamžitě připravené k měření, odpadá nutnost nastavení přesné polohy kalibračního členu vůči detektoru a při jakékoli změně polohy zařízení zaujímá kalibrační člen stále stejné zorné pole, což je velkou výhodou v aplikacích, kde je potřeba mezi měřeními či dokonce v průběhu měření měnit polohu měřicího systému. Navíc kalibrační člen nijak nepřekáží v pohybu měřených neživých i živých objektů v aplikacích, kde dochází k postupnému měření teploty většího počtu měřených objektů za sebou.The prior art used thermographic devices with calibration members that were not part of the body of the measuring system. This brought with it a reduction in user comfort both during the preparation of the measuring system and during the measurement itself. Because the calibration element is a permanent part of the housing, the entire thermographic device is compact, immediately ready for measurement, there is no need to set the exact position of the calibration element relative to the detector and the calibration element still occupies the same field of view whenever the device changes position. , where it is necessary to change the position of the measuring system between measurements or even during measurements. In addition, the calibration element does not interfere in any way with the movement of measured inanimate and living objects in applications where the temperature of a large number of measured objects is gradually measured in succession.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Příkladné provedení technického řešení je znázorněno na přiložených obrázcích, kde obr. 1 znázorňuje schematicky uspořádání jednotlivých základních částí zařízení pro termografické měření teploty, obr. 2 znázorňuje schematicky zorné pole s měřeným objektem u zařízení pro termografické měření teploty s kalibračním tepelným členem umístěným v rohu zorného pole,An exemplary embodiment of the technical solution is shown in the accompanying figures, where Fig. 1 shows schematically the arrangement of individual basic parts of a thermographic temperature measuring device, Fig. 2 shows schematically the field of view of a measured object in a thermographic temperature measuring device with a calibration thermal element located in the corner of the field of view. field,

- 3 CZ 35949 UI obr. 3 znázorňuje schematicky zorné pole s měřeným objektem u zařízení pro termografické měření teploty s podélným kalibračním tepelným členem umístěným uprostřed zorného pole, obr. 4 znázorňuje schematicky zorné pole s měřeným objektem u zařízení pro termografické měření teploty s kruhovým kalibračním tepelným členem umístěným uprostřed zorného pole, obr. 5 znázorňuje schematicky vlastní kalibrační tepelný člen a jeho jednotlivé části, obr. 6 znázorňuje uspořádání termografického zařízení pro měření teploty zajišťované obsluhou z bočního pohledu, obr. 7 znázorňuje uspořádání termografického zařízení pro bezobslužné měření teploty z bočního pohledu, obr. 8 znázorňuje uspořádání termografického zařízení pro bezobslužné měření teploty z čelního pohledu, obr. 9 znázorňuje uspořádání termografického zařízení s dvěma kalibračními členy, obr. 10 znázorňuje schematicky uspořádání zařízení pro termografické měření teploty a měřeného objektu při stacionárním měření teploty osob v hygienických a protiepidemických aplikacích, obr. 11 znázorňuje schematicky uspořádání zařízení pro termografické měření teploty a měřeného objektu při měření teploty osob ve zdravotnických a lékařských aplikacích, obr. 12 znázorňuje schematicky uspořádání zařízení pro termografické měření teploty a měřeného objektu při ručním měření teploty osob v protiepidemických a zdravotnických aplikacích.Fig. 3 shows schematically the field of view with the measured object in a thermographic temperature measuring device with a longitudinal calibration thermal element located in the middle of the field of view, Fig. 4 shows schematically the field of view with a measured object in a thermographic temperature measuring device with a circular calibration Fig. 5 shows schematically the actual calibration thermal element and its individual parts, Fig. 6 shows the arrangement of the thermographic temperature measuring device provided by the operator from a side view, Fig. 7 shows the arrangement of the thermographic device for unattended temperature measurement from the side view. Fig. 8 shows an arrangement of a thermographic device for unattended temperature measurement from a front view, Fig. 9 shows an arrangement of a thermographic device with two calibration members, Fig. 10 shows schematically an arrangement of a thermographic temperature measuring device and a measured object during stationary temperature measurement. in hygienic and anti-epidemic applications, Fig. 11 shows schematically the arrangement of the device for thermographic temperature measurement and the measured object when measuring the temperature of persons in medical and medical applications, Fig. 12 shows schematically the arrangement of the device for thermographic temperature measurement and the measured object during manual temperature measurement of persons in anti-epidemic and medical applications.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution

Příkladné provedení zařízení pro přesné termografické měření teploty podle technického řešení je schematicky znázorněno na obr. 1. Základní částí zařízení je termografický infračervený detektor 1, který snímá plošné rozložení měřeného záření 11 měřeného objektu 10. Před detektorem j. je umístěn objektiv 2, který opticky definuje zorné pole 7, za kterého dopadá měřené záření 11 na detektor 1. Detektor objektiv 2 a další elektrické a elektronické části zařízení, jako například řídicí počítač, vyhodnocovací obvody, bateriové napájení, jsou umístěny uvnitř pouzdra 6, které zajišťuje jeho mechanickou ochranu. V oblasti průniku pouzdra 6 a zorného pole 7 je umístěno ochranné sklo 4, které umožňuje prostup měřeného záření 11 a současně tvoří mechanickou ochranu optických částí zařízení. Mezi ochranným sklem 4 a objektivem 2 je umístěna pohyblivá clona 3. Tato clona 3 ve své jedné poloze opticky zakrývá zorné pole 7 a nepropouští měřené záření 11 na detektor 1. Clona 3, objektiv 2 a detektor ]_ jsou umístěny uvnitř pouzdra 6 ve své blízkosti tak, aby byly trvale ve stejných tepelných podmínkách.An exemplary embodiment of a device for accurate thermographic temperature measurement according to the technical solution is schematically shown in Fig. 1. The basic part of the device is a thermographic infrared detector 1, which senses the area of the measured radiation 11 of the measured object 10. An objective 2 is placed in front of the detector. defines the field of view 7, behind which the measured radiation 11 impinges on the detector 1. The detector lens 2 and other electrical and electronic parts of the device, such as control computer, evaluation circuits, battery supply, are located inside the housing 6, which provides its mechanical protection. In the area of intersection of the housing 6 and the field of view 7, a protective glass 4 is placed, which allows the passage of the measured radiation 11 and at the same time forms a mechanical protection of the optical parts of the device. A movable diaphragm 3 is placed between the protective glass 4 and the objective 2. In its one position, this diaphragm 3 optically covers the field of view 7 and does not transmit the measured radiation 11 to the detector 1. The diaphragm 3, the objective 2 and the detector 1 are located inside the housing 6 in their so that they are permanently in the same thermal conditions.

Kalibrační tepelný člen 5, který vydává kalibrační záření 12, je umístěn v části zorného pole 7 tak, aby kalibrační záření 12 trvale dopadalo na detektor 1. Kalibrační pole 8 tvoří část zorného pole 7, ze kterého dopadá na detektor 1 kalibrační záření 12. Kalibrační tepelný člen 5 je přitom upevněn v pouzdru 6 tak, aby byl trvale v kontaktu s vnějším prostředím a tedy ve stejných nebo podobných tepelných podmínkách jako měřený objekt 10. Vzdálenost kalibračního tepelného členu 5 od detektoru 1 je přitom zvolena tak, aby jak kalibrační tepelný člen 5 tak měřený objekt 10 byly současně v rozmezí vzdáleností, na kterém je možné pořizovat zaostřené termogramy.The calibration thermal element 5, which emits the calibration radiation 12, is placed in a part of the field of view 7 so that the calibration radiation 12 impinges permanently on the detector 1. The calibration field 8 forms part of the field of view 7 from which the calibration radiation 12 impinges on the detector 1. the thermal element 5 is mounted in the housing 6 so as to be in permanent contact with the external environment and thus in the same or similar thermal conditions as the measured object 10. The distance of the calibration thermal element 5 from the detector 1 is selected so that Thus, the measured object 10 was simultaneously in the range of distances at which it is possible to obtain focused thermograms.

Velikost kalibračního tepelného členu 5 je taková, aby pro zvolenou vzdálenost od detektoru 1 zabíralo kalibrační pole 8 v rozmezí od 2 % do 30 % plochy zorného pole 7. U termografického zařízení pro obecné použití může být kalibrační tepelný člen 5 výhodně umístěn v rohu zorného pole 7, jak schematicky znázorňuje obr. 2. Měřený objekt 10 je pak měřen v poloze ve středu zorného pole 7.The size of the calibration thermal element 5 is such that for a selected distance from the detector 1 the calibration field 8 occupies between 2% and 30% of the field of view area 7. In a general purpose thermographic device, the calibration thermal element 5 can advantageously be located in the corner of the field of view 7, as schematically shown in FIG. 2. The measured object 10 is then measured in a position in the center of the field of view 7.

Pro jiné aplikace však kalibrační tepelný člen 5 může být umístěn také v jiných částech zorného pole 7. Jak schematicky znázorňuje obr. 3, může být kalibrační tepelný člen 5 uprostřed zorného pole 7, což může být výhodné pro porovnávací termografická měření, kdy jsou současně měřeny dva měřené objekty 10.However, for other applications, the calibration thermal element 5 can also be located in other parts of the field of view 7. As schematically shown in Fig. 3, the calibration thermal element 5 can be in the middle of the field of view 7, which can be advantageous for comparative thermographic measurements. two measured objects 10.

Kalibrační tepelný člen 5 může také tvořit souvislý pás po okraji zorného pole 7 anebo být umístěn uprostřed zorného pole 7, jak schematicky ukazuje obr. 4. Měřený objekt 10 je v tomto případě takového tvaru, že měřené záření 11 nepřichází na detektor j_ kalibračním polem 8 tvořeným kalibračním tepelným členem 5.The calibration thermal element 5 can also form a continuous strip along the edge of the field of view 7 or be located in the middle of the field of view 7, as schematically shown in Fig. 4. The measured object 10 is shaped in this case formed by the calibration thermal element 5.

- 4 CZ 35949 UI- 4 CZ 35949 UI

Vlastní kalibrační tepelný člen 5, jak je patrno z obr. 5, se může skládat z topného elementu 13. těla 14, vyzařovací plochy 15 a teplotního čidla 16. Tělo 14 je výhodně provedeno z mědi nebo jiného dobře tepelně vodivého materiálu, do kterého je vsazeno teplotní čidlo 16. Kalibrační záření 12 vychází z vyzařovací plochy 15. která je obrácena ve směru na detektor 1. Velikost vyzařovací plochy 15 pak definuje kalibrační pole 8. Vyzařovací plocha 15 je opatřena povrchovou úpravou s vysokou hodnotou emisivity například termografickým povlakem. Teplotní čidlo 16 je v dobrém tepelném kontaktu s vyzařovací plochou 15 tak, aby se teplota měřená teplotním čidlem 16 a teplota povrchu vyzařovací plochy 15 co nejméně lišily. Součástí kalibračního tepelného členu 5 může být výhodně i topný element 13, který spolu s teplotním čidlem 16 zajišťuje ohřev vyzařovací plochy 15 na požadovanou teplotu.The calibration thermal element 5 itself, as can be seen from Fig. 5, may consist of a heating element 13 of the body 14, a radiating surface 15 and a temperature sensor 16. The body 14 is preferably made of copper or other well thermally conductive material into which a temperature sensor 16 is inserted. The calibration radiation 12 emanates from the radiating surface 15, which faces the detector 1. The size of the radiating surface 15 then defines the calibration field 8. The radiating surface 15 is provided with a high emissivity surface treatment, for example a thermographic coating. The temperature sensor 16 is in good thermal contact with the radiating surface 15 so that the temperature measured by the temperature sensor 16 and the surface temperature of the radiating surface 15 differ as little as possible. The calibration heating element 5 can advantageously also include a heating element 13 which, together with the temperature sensor 16, ensures that the radiating surface 15 is heated to the desired temperature.

Kalibrační tepelný člen 5 je vně optické části systému, je však integrován v kompaktním pouzdře 6, které tvoří kompletní zařízení pro přesné termografické měření teploty. Uvnitř tohoto pouzdra 6 j sou umístěny termografický infračervený detektor 1 s optickými členy a veškerá další elektronická a řídící zařízení nezbytná pro funkci termografického měřícího zařízení, například řídící procesor, příslušenství pro napájení či příslušenství pro ukládání naměřených dat. Na vnější straně pouzdra 6 jsou umístěny ovládací a případně i zobrazovací prvky měřicího zařízení, například přepínač pro zapnutí vypnutí nebo displej pro zobrazení měřeného obrazu, tedy termogramu, a dále vstupy a výstupy pro napájení nebo datové toky, případně externí paměťové karty.The calibration thermal element 5 is outside the optical part of the system, but is integrated in a compact housing 6, which forms a complete device for accurate thermographic temperature measurement. Inside this housing 6 there is placed a thermographic infrared detector 1 with optical elements and all other electronic and control devices necessary for the function of the thermographic measuring device, for example a control processor, power supply accessories or accessories for storing measured data. On the outside of the housing 6 there are control and possibly also display elements of the measuring device, for example a switch for switching off or a display for displaying the measured image, i.e. thermogram, as well as inputs and outputs for power supply or data flows or external memory cards.

Zásadní součástí zařízení podle technického řešení je řešení optického vstupu, jak je znázorněno na obr. 1, který je zapuštěn do kompaktního pouzdra 6 pomocí kónického otvoru, který se od povrchu postupně zužuje a jehož stěny kopírují zorné pole 7. Hloubka tohoto otvoru odpovídá požadované vzdálenosti optické části zařízení od kalibračního tepelného členu 5, který je umístěn na otevřené straně otvoru pouzdra 6 na úrovni jeho vněj šího povrchu. Tímto způsobem je zajištěna zejména mechanická ochrana kalibračního tepelného členu 5, který tak není vytrčen do prostoru a minimalizuje se tak riziko jeho mechanického poškození.An essential part of the device according to the technical solution is the solution of the optical input, as shown in Fig. 1, which is embedded in the compact housing 6 by a conical hole which gradually narrows from the surface and whose walls copy the field of view. optical parts of the device from the calibration thermal member 5, which is located on the open side of the opening of the housing 6 at the level of its outer surface. In this way, in particular, the mechanical protection of the calibration thermal element 5 is ensured, which is thus not protruded into the space and thus the risk of its mechanical damage is minimized.

Možné varianty uspořádání celého zařízení jsou schematicky znázorněny na obr. 6, obr. 7, obr. 8 a obr. 9. Obr. 6 znázorňuje zařízení pro termografické měření teploty prováděné obsluhou. Infračervené měřené záření 11 z povrchu měřeného objektu 10. který se nachází v zorném poli 7 měřicího systému, do něj vstupuje na jedné straně kónickým otvorem, kde je umístěn kalibrační tepelný člen 5. Zobrazovací jednotka 17, která obsluze ukazuje výsledný termogram měřeného objektu 10, vydává zobrazované záření 18 ve viditelné části elektromagnetického spektra.Possible variants of the arrangement of the whole device are schematically shown in Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8 and Fig. 9. 6 shows an apparatus for thermographic temperature measurement performed by an operator. Infrared measured radiation 11 from the surface of the measured object 10, which is located in the field of view 7 of the measuring system, enters it on one side through a conical hole where the calibration thermal element 5 is located. emits the displayed radiation 18 in the visible part of the electromagnetic spectrum.

Příklad uskutečnění termografického zařízení pro bezobslužné měření teploty ukazuje obr. 7 z bočního pohledu a obr. 8 z čelního pohledu. Měřeným objektem 10, který vydává infračervené měřené záření 11. je v tomto případě obličej měřené osoby. Termogram je zobrazován ve viditelném spektru na zobrazovací jednotce 17, která je umístěna na čelní straně pouzdra 6 termografického zařízení tak, aby bylo možné pro měřenou osobu nacházející se v zorném poli 7 současně sledovat výsledek měření na zobrazovací jednotce 17.An example of an embodiment of a thermographic device for unattended temperature measurement is shown in FIG. 7 from a side view and FIG. 8 from a front view. The measured object 10, which emits infrared measured radiation 11, is in this case the face of the measured person. The thermogram is displayed in the visible spectrum on the display unit 17, which is located on the front side of the housing 6 of the thermographic device so that it is possible for the measured person in the field of view 7 to simultaneously monitor the measurement result on the display unit 17.

Příklad uskutečnění termografického zařízení s dvěma kalibračními tepelnými členy 5 ukazuje obr. 9. Jedná se o zařízení určené pro bezkontaktní měření teploty v aplikacích vyžadujících extrémní přesnost určení teploty či v aplikacích, kde dochází k relativně velkým změnám okolní teploty. V takových případech je součástí zařízení podle technického řešení více kalibračních tepelných členů, v konkrétním případě na obr. 9 dva. Každý kalibrační tepelný člen 5 v tom případě zaujímá jinou část zorného pole 7. Teplota kalibračních tepelných členů 5 je odlišná. Buď je teplota obou kalibračních tepelných členů 5 udržována regulací na konstantní hodnotě, například při měření teploty osob na teplotách 35 °C a 40 °C. Nebo je jeden z kalibračních tepelných členů 5 teplotně neregulovaný a přejímá teplotu vnějšího prostředí, ve kterém se pouzdro 6 nachází.An example of an embodiment of a thermographic device with two calibration thermal elements 5 is shown in Fig. 9. It is a device designed for non-contact temperature measurement in applications requiring extreme temperature accuracy or in applications where relatively large changes in ambient temperature occur. In such cases, the device according to the technical solution includes several calibration thermal elements, in the specific case in Fig. 9 two. In this case, each calibration thermal element 5 occupies a different part of the field of view 7. The temperature of the calibration thermal elements 5 is different. Either the temperature of both calibration heaters 5 is kept constant by regulation, for example when measuring the temperature of persons at temperatures of 35 ° C and 40 ° C. Alternatively, one of the calibration thermal members 5 is unregulated and takes over the temperature of the external environment in which the housing 6 is located.

Použití zařízení pro termografické měření teploty podle technického řešení je takové, že měřený objekt 10. kterým je živá osoba anebo neživý předmět, je umístěn v zorném poli 7. Plošné rozloženíThe use of the device for thermographic temperature measurement according to the technical solution is such that the measured object 10., which is a living person or a non-living object, is placed in the field of view 7. Area distribution

- 5 CZ 35949 UI měřeného záření 11 povrchu měřeného objektu 10 v infračervené oblasti elektromagnetického spektra dopadá přes ochranné sklo 4 a objektiv 2 na detektor L Pomocí dalších elektrických a elektronických částí zařízení je vyhodnocováno plošné rozložení teploty, které je zobrazováno na zobrazovací jednotce 17, případně ukládáno na paměťové médium anebo posíláno datovým tokem ven.- 5 CZ 35949 UI of the measured radiation 11 of the surface of the measured object 10 in the infrared region of the electromagnetic spectrum falls on the detector L via protective glass 4 and objective 2. stored on a storage medium or sent out by a data stream.

V průběhu měření jev určitých intervalech spouštěna interní kalibrace využívající clonu 3. Při zakrytém zorném poli 7 dopadá na celý detektor j. měřené záření 11 z povrchu clony 3. Jedná se o proceduru obvykle označovanou zkratkou NUC (non-uniformity correction), při níž clona 3 slouží jako plošný referenční zdroj a výstupem je zjištění aktuálních vlastností jednotlivých částí plošného maticového detektoru pro dosažení vyšší přesnosti určení teploty.During the measurement, the internal calibration using the aperture 3 is triggered at certain intervals. With the field of view 7 covered, the measured radiation 11 from the surface of the aperture 3 impinges on the entire detector. 3 serves as a planar reference source and the output is to determine the current properties of individual parts of the planar matrix detector to achieve higher accuracy of temperature determination.

Kalibrační tepelný člen 5 je v průběhu měření ohříván na teplotu vyšší, než je teplota okolí, ideálně na teplotu blízkou teplotě měřeného objektu 10, pokud to aplikace dovoluje. Zároveň je souběžně měřena teplota kalibračního tepelného členu 5 pomocí teplotního čidla 16, které je jeho součástí. Paralelně probíhá pomocí detektoru 1 měření plošného rozložení měřeného záření 11 z povrchu měřeného objektu 10 v nezakryté části zorného pole 7 a v rámci kalibračního pole 8 probíhá měření kalibračního záření 12 z povrchu kalibračního tepelného členu 5. Pomocí kalibračních algoritmů je pak souběžně a průběžně, tedy on-line, po celou dobu záznamu prováděna korekce měřených hodnot.During the measurement, the calibration thermal element 5 is heated to a temperature higher than the ambient temperature, ideally to a temperature close to the temperature of the measured object 10, if the application allows it. At the same time, the temperature of the calibration thermal element 5 is measured simultaneously by means of a temperature sensor 16, which is a part of it. The measurement of the area distribution of the measured radiation 11 from the surface of the measured object 10 in the uncovered part of the field of view 7 takes place in parallel with the detector 1 and the calibration radiation 12 from the surface of the calibration heat element 5 takes place within the calibration field 8. on-line, the measured values are corrected throughout the recording.

Kalibrační postupy a algoritmy se mohou lišit v závislosti na podmínkách a požadavcích měření, například v závislosti na tom, jestli bude teplota kalibračního tepelného členu 5 řízena pomocí teplotního čidla 16 na konstantní hodnotu nebo jestli bude kalibrační tepelný člen 5 pasivní, tedy bez ohřevu, nebo bude kalibrační tepelný člen 5 ohříván konstantním výkonem a kalibrace bude prováděna na základě plovoucí proměnné teploty přesně měřené teplotním čidlem 16. Tento proces souběžného termografického infračerveného snímání a kalibrace probíhá kontinuálně po celou dobu záznamu. To umožňuje výrazným způsobem eliminovat jak dlouhodobý posuv měřené hodnoty, tak zvaný drift, tak krátkodobé výkyvy, které mohou být obecně způsobené například změnou vnějších podmínek, vlastnostmi optického systému nebo vlastnostmi vnitřního řízení a kalibrace.The calibration procedures and algorithms may differ depending on the measurement conditions and requirements, for example depending on whether the temperature of the calibration heater 5 is controlled by a temperature sensor 16 to a constant value or whether the calibration heater 5 is passive, i.e. without heating, or the calibration thermal element 5 will be heated at a constant power and the calibration will be performed on the basis of a floating variable temperature accurately measured by the temperature sensor 16. This process of simultaneous thermographic infrared sensing and calibration takes place continuously throughout the recording. This makes it possible to significantly eliminate both long-term measured value shift and so-called drift and short-term fluctuations, which can generally be caused, for example, by changes in external conditions, optical system properties or internal control and calibration properties.

Výsledkem je přesné plošné rozložení teploty měřeného objektu 10. Použití je zejména v aplikacích, kde velmi záleží na přesnosti určení teploty. Typicky jsou to případy měření teploty povrchu lidského obličeje. Použití zařízení podle technického řešení v případě měření teploty procházejících osob je schematicky ukázáno na obr. 10. Měřená osoba různé výšky přistupuje do zorného pole 7 měřicího systému a po změření odchází. Zde se s výhodou využívá uspořádání s kalibračním tepelným členem 5 integrovaným do pouzdra 6 zařízení podle technického řešení, neboť tento kalibrační tepelný člen 5 nebrání žádným způsobem v pohybu měřených osob.The result is an accurate surface temperature distribution of the measured object 10. It is used especially in applications where the accuracy of temperature determination is very important. These are typically cases of measuring the surface temperature of a human face. The use of the device according to the technical solution in the case of measuring the temperature of passing persons is schematically shown in Fig. 10. The measured person of different heights approaches the field of view 7 of the measuring system and leaves after the measurement. Here, an arrangement with a calibration thermal member 5 integrated in the housing 6 of the device according to the technical solution is preferably used, since this calibration thermal member 5 does not impede the movement of the measured persons in any way.

Jiný příklad použití schematicky zobrazuje obr. 11. Jedná se o zdravotnické či lékařské použití termografického měření teploty osob, kde dochází ke vzájemnému pohybu měřicího systému a měřené osoby do polohy, kde je měřená část osoby v zorném poli 7. Buď je polohován měřicí systém například ručně při měření více ležících pacientů s použitím jednoho měřicího systému. Anebo je polohována měřená osoba atermografický měřicí systém je v pevné poloze jako například u termografického skeneru. Obě možnosti mohou být využity v případech, kdy je termografický měřicí systém trvalou součástí konstrukce mobilního lůžka či záchranného dopravního prostředku. Také v těchto případech se s výhodou využije uspořádání s kalibračním tepelným členem 5 integrovaným do pouzdra 6 zařízení podle technického řešení, neboť tento kalibrační tepelný člen 5 nebrání žádným způsobem ve vzájemném pohybu měřené osoby a měřicího systému.Another example of use is schematically shown in Fig. 11. It is a medical or medical use of thermographic temperature measurement of persons, where the measuring system and the measured person move to a position where the measured part of the person is in the field of view 7. Either the measuring system is positioned for example manually when measuring multiple lying patients using a single measuring system. Or the person being measured is positioned. The athermographic measuring system is in a fixed position, such as a thermographic scanner. Both options can be used in cases where the thermographic measuring system is a permanent part of the construction of a mobile bed or rescue vehicle. Also in these cases, an arrangement with a calibration thermal member 5 integrated in the housing 6 of the device according to the technical solution is advantageously used, since this calibration thermal member 5 does not in any way prevent the measured person and the measuring system from moving relative to each other.

Další příklad použití schematicky zobrazuje obr. 12. Jedná se o ruční protiepidemické či zdravotnické použití termografického měření teploty osob. Měřeným objektem 10 je kontrolovaná osoba. Měřicí systém je polohován ručně druhou osobou do polohy, kdy je měřená část kontrolované osoby, typicky koutek oka, v zorném poli 7. Také v těchto případech se s výhodouAnother example of use is schematically shown in Fig. 12. It is a manual anti-epidemic or medical use of thermographic measurement of human temperature. The measured object 10 is a controlled person. The measuring system is positioned manually by the other person to a position where the measured part of the inspected person, typically the corner of the eye, is in the field of view 7. Also in these cases,

- 6 CZ 35949 UI využije uspořádání s kalibračním tepelným členem 5 integrovaným do pouzdra 6 zařízení podle technického řešení, neboť tento kalibrační tepelný člen 5 je při změně polohy měřicího systému stále ve stejné poloze vůči zornému poli 7 a navíc nebrání žádným způsobem ve vzájemném pohybu měřené osoby a měřicího systému.The UI will use the arrangement with the calibration thermal element 5 integrated in the housing 6 of the device according to the technical solution, because this calibration thermal element 5 is still in the same position with respect to the field of view 7 when changing the position of the measuring system. person and the measuring system.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Technické řešení je využitelné pro aplikace termografického měření s vysokými nároky na přesnost stanovení teploty měřeného objektu například pro termografícké měření teploty osob či zvířat nebo pro termografícké měření opticko-tepelných vlastností materiálů.The technical solution can be used for applications of thermographic measurement with high demands on the accuracy of temperature determination of the measured object, for example for thermographic measurement of temperature of persons or animals or for thermographic measurement of optical-thermal properties of materials.

V oblasti měření teploty osob se jedná o hygienické a protiepidemické aplikace termografického měření s cílem odhalení osob se zvýšenou tělesnou teplotou jako projevem indikujícím infekční onemocnění, o zdravotnické a lékařské aplikace termografického měření s cílem určit celkový zdravotní stav osoby pomocí tělesné teploty anebo lokální problémy pomocí rozložení teploty na povrchu těla, o bezpečnostní a policejní aplikace termografického měření s cílem detekovat záměrně nepravdivé odpovědi vyšetřované osoby, nebo o aplikace termografického měření v zábavním průmyslu s cílem bezkontaktně měřit emoce osob.In the field of temperature measurement, these are hygienic and anti-epidemic applications of thermographic measurement to detect people with fever as a manifestation of infectious diseases, medical and medical applications of thermographic measurement to determine the overall health of a person by body temperature or local problems by distribution body surface temperature, o security and police applications of thermographic measurement to detect intentionally false answers of the examined person, or o applications of thermographic measurement in the entertainment industry in order to non-contact measurement of people's emotions.

V oblasti měření teploty zvířat se jedná o veterinární a zemědělské aplikace termografického měření s cílem odhalení kusů s lokálními záněty či jinými zdravotními problémy projevující se zvýšenou teplotou.In the field of animal temperature measurement, these are veterinary and agricultural applications of thermographic measurement with the aim of detecting pieces with local inflammation or other health problems manifested by elevated temperature.

V oblasti měření opticko-tepelných vlastností materiálů se jedná o aplikace termografického měření v rámci laboratorních zařízení pro měření emisivity/pohltivosti nebo odrazivosti povrchů materiálů s cílem stanovit jejich spektrální, teplotní, úhlové, časové a plošné rozložení, o aplikace termografického měření v rámci průmyslových zařízení pro kontrolu kvality vyráběných materiálů či povrchových úprav s fimkčními opticko-tepelnými vlastnostmi.In the field of measuring optical-thermal properties of materials, these are applications of thermographic measurement in laboratory equipment for measuring emissivity / absorption or reflectivity of material surfaces in order to determine their spectral, temperature, angular, temporal and surface distribution, applications of thermographic measurement in industrial equipment for quality control of manufactured materials or surface treatments with functional optical-thermal properties.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

Device for thermographic temperature measurement, characterized in that the at least one calibration thermal element (5) and the detector (1) are mounted in a housing (6), the calibration thermal element (5) being permanently located in the field of view (7). .

Thermographic temperature measuring device according to Claim 1, characterized in that an objective (2), an aperture (3) and a protective glass (4) are arranged between the detector (1) and the calibration thermal element (5).

Thermographic temperature measuring device according to Claim 1, characterized in that the calibration thermal element (5) is arranged at a distance of 20 to 300 mm from the detector (1).

Thermographic temperature measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the outer surface of the housing (6) is in contact with the external environment.

Thermographic temperature measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration thermal element (5) is provided with a temperature sensor (16).

Device for thermographic temperature measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration thermal element (5) is provided with a heating element (13).

Thermographic temperature measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the radiating surface (15) of the calibration thermal element (5) is made of a material with an emissivity in the range from 0.7 to 1.

Thermographic temperature measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration field (8) of the calibration thermal element (5) occupies 2 to 30 percent of the field of view (7).