DE102005018856A1 - Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks - Google Patents
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Abstract
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung geschaffen zur Visualisierung eines Messflecks auf einem Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahles, einem elektrostatisch ansteuerbaren Mikrospiegel, um den Lichtstrahl auf das Objekt zu richten, und einem Steuermittel zum Ansteuern des Mikrospiegels, um den Lichtstrahl zur Visualisierung des Messflecks auszurichten. Damit wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die im Wesentlichen verschleißfrei arbeitet und eine längere Lebensdauer aufweist als herkömmliche Vorrichtungen. Durch Einsatz eines quasistatisch angesteuerten Mikrospiegels kann auf die Verwendung mechanischer (verschleißbehafteter) Antriebselemente verzichtet werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks und/oder Anzeige von Statusinformationen auf einem Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll.
- Vorrichtungen zur berührungslosen Temperaturmessung an Objekten, insbesondere IR-Temperaturmessgeräte, dienen der Erfassung der Temperatur des Objektes durch Detektion der vom Objekt ausgehenden Infrarot-(IR-)Strahlung mit einem IR-Detektor. Der Bereich des Objekts, dessen Strahlung vom Detektor erfasst wird, wird als (Strahlungs-)Messfleck des Temperaturmessgerätes bezeichnet. Für eine genaue Temperaturmessung ist es wichtig, den Ort und die Größe des Messfleckes zu kennen. Es sind verschiedene Einrichtungen zur Messfleckvisualisierung bekannt, die auf der Erzeugung einer sichtbaren Markierung im Innern oder am Rand des Messfleckes basieren. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus
EP 1 176 407 A2 bekannt. - Aus
EP 0 644 408 A1 ist eine Vorrichtung zur Infrarot-Temperaturmessung bekannt, mit einer Laseranordnung, die einen Laserstrahl auf einen sich rotierenden Spiegel wirft, der den Laserstrahl kreisförmig auf ein Messobjekt lenkt, wodurch der Messfleck mittels eines Laserlichtkreises angezeigt wird. - Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist, dass die Spiegelanordnung einschließlich des Antriebes zur Rotation des Spiegels einen hohen Platzbedarf hat. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Energiebedarf des Antriebes. Außerdem verschleißen die mechanischen Teile, insbesondere der rotierende Spiegel.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung geschaffen zur Visualisierung eines Messflecks auf einem Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahles, einem quasistatisch (z.B. elektro- oder magnetostatisch) ansteuerbaren Mikrospiegel, um den Lichtstrahl auf das Objekt zu richten, und einem Steuermittel zum Ansteuern des Mikrospiegels, um den Lichtstrahl zur Visualisierung des Messflecks auszurichten.
- Durch Verwendung eines elektrostatisch angesteuerten Mikrospiegels, d.h. eines MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System), wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die im Wesentlichen verschleißfrei arbeitet und eine längere Lebensdauer aufweist als herkömmliche Vorrichtungen. Insbesondere kann der Mikrospiegel als integrierter Schaltkreis (Integrated Circuit IC) ausgebildet sein. Damit kann auf die Verwendung mechanischer (verschleißbehafteter) Antriebselemente verzichtet werden. Außerdem kann eine Anpassung an einen veränderten Messstrahlengang durch Änderung der Ansteuerung durch das Steuermittel leicht vorgenommen werden.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Steuermittel ausgebildet zur Ansteuerung des Mikrospiegels derart, dass ein vorbestimmtes Muster innerhalb einer Bildmatrix auf dem Objekt erzeugt wird. Das vorbestimmte Muster kann beispielsweise durch ein Fadenkreuz zur Visualisierung des Mittelpunktes des Messflecks, durch einen Kreis zur Visualisierung des Umfanges des Messflecks, oder eine Kombination dieser Muster, gebildet sein.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Steuermittel ausgebildet zur Ansteuerung des Mikrospiegels derart, dass Informationen, insbesondere Messwerte, z.B. der Messwert der Temperatur des Objektes, oder Messparameter, auf dem Objekt visualisiert werden. Gemäß dieser Ausgestaltung kann beispielsweise die Temperatur des Messobjektes erfasst werden, ohne dass der Blick vom Messobjekt genommen werden muss. Insgesamt wird somit die Bedienung der Vorrichtung erleichtert.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Vielzahl von elektrostatisch ansteuerbaren Mikrospiegeln auf, wobei das Steuermittel zur diskreten Ansteuerung der Mikrospiegel in x- und y-Richtung ausgebildet ist, beispielsweise zur Erzeugung einer Bildmatrix auf dem Objekt bestehend aus diskreten Bildpunkten. In dieser Ausgestaltung können insbesondere Muster mit hoher räumlicher und/oder zeitlicher Auflösung dargestellt werden. Die Folge ist eine weiter verbesserte Visualisierung des Messflecks.
- Die Lichtquelle erzeugt kollimiertes Licht und ist vorzugsweise durch eine Laserquelle gebildet. Eine Laserquelle hat den Vorteil des geringen Durchmessers des Lichtstrahles, so dass scharfe Muster unabhängig vom Abstand zum Messobjekt erzeugt werden können (d.h. keine Fokussierung ist notwendig). Insbesondere kann eine Laserdiode im Bereich 635 bis 650 nm (rot) eingesetzt werden; möglich ist jedoch auch der Einsatz von blauen oder grünen Laserdioden.
- In einer alternativen Ausgestaltung ist die Lichtquelle durch eine LED gebildet.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ein Entfernungsmessmittel zur Bestimmung der Entfernung zwischen der Vorrichtung und dem Objekt, vorzugsweise in Form eines in der Vorrichtung integrierten Moduls. Anhand des Entfernungsmessmittels ist es möglich, die Größe des auf dem Messobjekt dargestellten Musters zur Visualisierung des Messflecks dem Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Messobjekt (automatisch) anzupassen, entsprechend der von diesem Abstand abhängigen Größe des Messflecks. Das Ergebnis der Entfernungsmessung bestimmt demnach die Amplitude der Auslenkung des Mikrospiegels.
- Das Entfernungsmessmittel kann zur optischen oder akustischen Entfernungsbestimmung ausgebildet sein. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Entfernungsmessmittel zur Entfernungsbestimmung mittels Mustererkennung, insbesondere durch Untersuchung von Kantenschärfen, ausgebildet. Dazu können eine Kamera und entsprechende Softwarealgorithmen zur Mustererkennung realisiert sein.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ein optisches Element, insbesondere einen Prismenring, um den vom Mikrospiegel abgelenkten Lichtstrahl auf das Objekt zu projizieren. Dadurch wird die Größe des angezeigten Musters zur Visualisierung des Messflecks auf optische Weise automatisch dem Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Messobjekt angepasst, ohne eine Entfernungsbestimmung durchführen zu müssen. Eine detaillierte Beschreibung eines solchen Prismenringes findet sich in der DE-A1-196 54 276 der Anmelderin.
- Erfindungsgemäß ist auch ein Pyrometer geschaffen, mit einer (integrierten) Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks wie oben beschrieben.
- Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren geschaffen zur Visualisierung eines Messflecks auf einem Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, wobei ein Lichtstrahl erzeugt wird, der mittels eines bewegbaren Mikrospiegels auf das Objekt gerichtet wird, und der Mikrospiegel quasistatisch angesteuert wird derart, dass der Lichtstrahl zur Visualisierung des Messflecks auf das Objekt ausgerichtet wird.
- Analog zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird demnach ein Verfahren bereitgestellt, dass eine verschleißfreie Visualisierung eines Messflecks auf einem Messobjekt ermöglicht.
- Das Verfahren ermöglicht außerdem die Darstellung verschiedenartiger Muster zur Visualisierung des Messflecks. Insbesondere kann der Lichtstrahl in Abhängigkeit der Ansteuerung des Spiegels ein- oder ausgeschaltet wird, um ein bestimmtes Lichtmuster auf dem Objekt zu erzeugen, beispielsweise aus Segmenten oder Punkten gebildete Kreise zur visuellen Umrandung des Messflecks.
- In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Mikrospiegel dynamisch, insbesondere in Resonanz angeregt. Dies ist insbesondere geeignet für die Darstellung von Kreismustern. Die Resonanzfrequenz und -amplitude ist vorbestimmt abhängig vom Material und der Masse des Mikrospiegels.
- In einer anderen Ausgestaltung wird der Mikrospiegels statisch angeregt. Insbesondere wird der Mikrospiegel zeitdiskret in x- und y-Richtung ausgelenkt, d.h. bzgl. der x- und y-Achse geneigt. Mit anderen Worten nimmt der Mikrospiegel entsprechend seiner Ansteuerung zeitdiskrete Zustände ein, d.h. bestimmte Auslenkungen in x- und y-Richtung für jeweils eine vorbestimmte Zeit. Mittels dieser Ausgestaltung können komplexere Muster dargestellt werden, wie beispielsweise Fadenkreuze oder Messinformationen.
- Die Erfindung wird nun erläutert anhand von beispielhaften Ausführungen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen
-
1 schematisch eine Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 schematisch eine Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, -
3 Beispiele von anhand der Vorrichtung aus1 oder2 erzeugten Kreismustern zur Visualisierung des Messfleckes, und -
4 Beispiele von anhand der Vorrichtung aus1 oder2 erzeugten Mustern in einer Bildmatrix zur Visualisierung des Messfleckes. -
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung umfasst einen Mikrospiegel1 , auf den ein mittels einer Laserquelle2 erzeugter Laserstrahl2a geworfen wird. Der Mikrospiegel1 reflektiert den Laserstrahl2a auf einen Prismenring3 , welcher den Laserstrahl2a bricht und auf ein Objekt (nicht gezeigt) ausrichtet, dessen Temperatur gemessen werden soll (Messobjekt). - Der Mikrospiegel
1 wird durch einen Mikrocontroller5 angesteuert. Das Ausgangssignal des Mikrocontrollers5 ist einem Spannungskonvertierer4 zugeführt, dessen Ausgangssignal das Steuersignal für den Mikrospiegel1 bildet. Der Spannungskonvertierer4 ist außerdem an eine Spannungsquelle6 angeschlossen, die die Versorgungsspannung der Vorrichtung bereitstellt. - Der Mikrocontroller
5 erzeugt jeweils ein Steuersignal für eine Auslenkung des Mikrospiegels1 in x- und y-Richtung. Dies bedeutet, dass der Mikrospiegel1 bezüglich der beiden in der Ebene der Spiegelfläche verlaufenden Richtungsachsen ausgelenkt wird. Die Amplitude, Frequenz und Phasenlage der x- und y-Steuersignale wird durch eine in dem Mikrocontroller5 enthaltene Firmware bestimmt. Dabei bestimmt die Phasenlage der Steuersignale die Form des auf dem Messobjekt entstehenden Bildes. - Durch das Steuersignal wird der Mikrospiegel
5 in Bewegung versetzt, um auf dem Messobjekt ein Muster8 zu erzeugen, dass den Messfleck visualisiert. In der beispielhaften Ausführung von1 wird der Mikrospiegel1 in x- und y-Richtung in Resonanz erregt, so dass der Laserstrahl2a auf dem Messobjekt rotiert und ein kreisförmiges Muster8 beschreibt. - Der Laserquelle
2 ist eine Steuereinheit9 zugeordnet, die die Laserquelle pulst, d.h. zu vorbestimmten Zeitpunkten abhängig von der Ansteuerung des Mikrospiegels1 an- und ausschalten kann. Bei gepulster Laserquelle2 erscheint der Messfleck8 nicht als durchgezogener, sondern aus Punkten oder Segmenten gebildeter Kreis. Zur Darstellung von Punkten ist die Dauer der jeweiligen "AN"-Pulse im Verhältnis zur Umlauffrequenz kurz; zur Darstellung von Kreissegmenten ist die Dauer entsprechend länger. Da die Position des Mikrospiegels5 zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, kann durch Ein- und Ausschalten der Laserquelle2 eine beliebige Abfolge von Punkten und/oder Segmenten erzeugt werden. - In dem Ausführungsbeispiel von
1 bewirkt der Prismenring3 , dass der auf das Messobjekt projizierte Laserstrahl den Messfleck unabhängig vom Abstand der Vorrichtung vom Messobjekt umrandet. - Im Ausführungsbeispiel der
2 ist anstatt des Prismenringes3 ein Entfernungsmesser7 vorgesehen. Der Entfernungsmesser7 misst die Entfernung der Vorrichtung zum Messobjekt auf optische oder akustische Art und Weise und führt dem Mikrocontroller5 das Messergebnis zu. Der Mikrocontroller5 steuert die Amplitude der Ansteuerung des Mikrospiegels1 abhängig von der gemessenen Entfernung. Somit wird ebenfalls sichergestellt, dass das dargestellte Muster8 den Messfleck entfernungsunabhängig visualisiert. -
3 illustriert Beispiele von Mustern zur Visualisierung des Messfleckes, die mittels der Vorrichtung aus1 oder2 bei Anregung des Mikrospiegels1 in Resonanz darstellbar sind.3a ) zeigt einen kreisförmigen Messfleck bestehend aus Kreispunkten, die durch Pulsen der Laserquelle2 erzeugt werden, wobei die AN- und AUS-Phasen der Laserquelle2 im Wesentlichen die gleiche Dauer aufweisen. In dem Beispiel der3b ) besteht der kreisförmige Messfleck aus Kreissegmenten, wobei die "AN"-Phasen der Laserquelle2 länger andauern als die "AUS"-Phasen. In3c ) besteht der Messfleck aus einem scheinbar geschlossenem Kreis, der durch schnelles Rotieren (ohne Pulsen) des Laserstrahles der Laserquelle2 erzeugt wird. Insgesamt lassen sich somit kreisförmige Messflecken darstellen, die aus Kreispunkten oder -segmenten gebildet werden, deren Dauer und Abstände frei festlegbar sind. -
4 illustriert Beispiele von Bildmustern, die mittels der Vorrichtung aus1 und2 bei (quasi)statischer Ansteuerung des Mikrospiegels1 darstellbar sind. Die Auflösung und damit die möglichen darstellbaren Bildmuster hängen einerseits von der Größe (d.h. dem Durchmesser) des Laserstrahles (Laserpunktes) auf dem Messobjekt ab, und andererseits von der minimalen und maximalen Auslenkung des Mikrospiegels1 in x- und y-Richtung. Vorzugsweise liegt die geringstmögliche Auslenkung unterhalb des Radius eines einzelnen Laserpunktes. - Bei der statischen Aussteuerung erzeugt der Mikrocontroller
5 Steuersignale (Spannungen), durch welche der Mikrospiegel für vorbestimmte Zeitdauern in x- und y-Richtung ausgelenkt wird. Das zu erzeugende Muster wird von der im Mikrocontroller5 enthaltenen Firmware in Form eines seriellen Datenstrom dargestellt. Der Datenstrom besteht aus Datenpaketen mit jeweils einem x- und einem y-Wert. Die x- und y-Werte werden durch den Mikrocontroller5 in Steuersignale übersetzt, wodurch der Mikrospiegel1 entsprechend angesteuert wird. Somit lassen sich Bildmatrizen darstellen, die vorzugsweise aus 640 × 480 oder 320 × 240 Bildpunkten bestehen und 10–20 mal pro Sekunde erzeugt werden. - Durch Ein- und Ausschalten der Laserquelle
2 zu vorbestimmten Zeitpunkten lässt sich innerhalb der Bildmatrix ein beliebiges Muster erzeugen, z.B. der Temperaturmesswert oder andere alphanumerische Zeichen. -
4a ) zeigt ein Bildmuster in Form eines Fadenkreuzes, wodurch eine besonders klare Kennzeichnung des Mittelpunktes des Messfeldes möglich ist. Die Ausdehnung des Faderkreuzes in x- und y-Richtung kennzeichnet die Ausdehnung des Messfleckes. -
4b ) zeigt ein Bildmuster in Form eines Negativkreises mit Mittelpunktkennzeichnung. Umgekehrt zeigt4c ) ein Bildmuster in Form eines Positivkreises mit Mittelpunktkennzeichnung. -
4d ) zeigt ein Bildmuster, das durch alphanumerische Projektion des Messwertes der Temperatur des Messobjektes oder von Parametern der Messvorrichtung gebildet wird. - Anzumerken ist, die beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich beispielhafter Natur sind und die Erfindung Abwandlungen innerhalb des durch die Schutzansprüche definierten Schutzbereiches umfasst.
Claims (17)
- Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks auf einem Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, mit a. einer Lichtquelle (
2 ) zur Erzeugung eines Lichtstrahles, b. einem quasistatisch ansteuerbaren Mikrospiegel (1 ), um den Lichtstrahl auf das Objekt zu richten, und c. einem Steuermittel (5 ) zum Ansteuern des Mikrospiegels (1 ), um den Lichtstrahl zur Visualisierung des Messflecks auszurichten. - Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel (
5 ) ausgebildet ist zur Ansteuerung des Mikrospiegels (1 ) derart, dass ein vorbestimmtes Muster innerhalb einer Bildmatrix auf dem Objekt erzeugt wird. - Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel (
5 ) ausgebildet ist zur Ansteuerung des Mikrospiegels (1 ) derart, dass Informationen, insbesondere Messwerte, z.B. der Messwert der Temperatur des Objektes, oder Messparameter, auf dem Objekt visualisiert werden. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl von elektrostatisch ansteuerbaren Mikrospiegeln (
1 ), wobei das Steuermittel (5 ) zur diskreten Ansteuerung der Mikrospiegel (1 ) ausgebildet ist, zur Erzeugung einer Bildmatrix auf dem Objekt bestehend aus diskreten Bildpunkten. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (
2 ) durch eine Laserquelle gebildet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lichtquelle (
2 ) durch eine LED gebildet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Entfernungsmessmittel (
7 ) zur Bestimmung der Entfernung zwischen der Vorrichtung und dem Objekt. - Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Entfernungsmessmittel (
7 ) zur optischen Bestimmung der Entfernung zwischen der Vorrichtung und dem Objekt ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Entfernungsmessmittel (
7 ) zur akustischen Bestimmung der Entfernung zwischen der Vorrichtung und dem Objekt ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Entfernungsmessmittel (
7 ) zur Bestimmung der Entfernung zwischen der Vorrichtung und dem Objekt mittels Mustererkennung, insbesondere durch Untersuchung von Kantenschärfen, ausgebildet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein optisches Element, insbesondere einen Prismenring (
3 ), um den vom Mikrospiegel (1 ) abgelenkten Lichtstrahl auf das Objekt zu projizieren. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikrospiegel (
1 ) elektro- oder magnetostatisch ansteuerbar ist. - Pyrometer, mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Verfahren zur Visualisierung eines Messflecks auf einem Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, wobei ein Lichtstrahl erzeugt wird, der mittels eines bewegbaren Mikrospiegels (
1 ) auf das Objekt gerichtet wird, und der Mikrospiegel (1 ) quasistatisch angesteuert wird derart, dass der Lichtstrahl zur Visualisierung des Messflecks auf das Objekt ausgerichtet wird. - Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Lichtstrahl in Abhängigkeit der Ansteuerung des Mikrospiegels (
1 ) ein- oder ausgeschaltet wird, um ein bestimmtes Lichtmuster auf dem Objekt zu erzeugen. - Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Mikrospiegel (
1 ) in Resonanz angeregt wird. - Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Mikrospiegel (
1 ) zeitdiskret in x- und y-Richtung angesteuert wird.
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