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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Visualisierung
eines Messflecks und/oder Anzeige von Statusinformationen auf einem Objekt,
dessen Temperatur gemessen werden soll.
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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.
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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.
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DE 3603464 C2 offenbart
einen Gleichlichtpyrometer bestehend aus einer Sammeloptik, einem Strahlungsgempfänger, welcher
mit einer Informationsverarbeitungseinheit verbunden ist, einer
Visiereinrichtung und einem Spiegel zwischen Sammeloptik und Strahlungsempfänger, wobei
der Spiegel ein selektiv wirkender Spiegel ist, welcher durch die Sammeloptik
gebündelte
Wärmestrahlung
derart spektral verteilt, dass die Messstrahlung im auszuwertenden
Spektralbereich auf den Strahlungsempfänger reflektiert oder durchgelassen
wird und mindestens ein Teil der sichtbaren Strahlung auf die Visiereinrichtung
durchgelassen oder reflektiert wird.
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DE 19828454 A1 offenbart
eine Visiereinrichtung bzw. ein Visiersystem für eine Temperaturmessvorrichtung
unter Verwendung von Infrarottechniken, wobei die Visiereinrichtung
einen Lasergenerator verwendet, um einen Laserstrahl zu erzeugen, aus
dem wenigstens drei Teillaserstrahlen erzeugt werden, die um eine
Mittenlinie herum beabstandet verlaufen. Die Laserteilstrahlen werden
auf einen Reflektor gerichtet, der im Sichtfeld des Radiometers angeordnet
ist. Der Reflektor ist so ausgewählt,
dass er (a) Infrarotlicht durchlässt
und (b) Laserlicht und sichtbares Licht reflektiert. Der Reflektor
ist so positioniert, dass er die Teilstrahlen derart auf das Ziel
richtet, dass um die Mitte der Zielfläche herum, deren Temperatur
zu messen ist, kleine sichtbare beleuchtete Flächen (z. B. "Punkte oder Flecken") bereitgestellt
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist die Lichtquelle durch eine
LED gebildet.
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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.
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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.
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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 196 54 276 A1 der Anmelderin.
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Erfindungsgemäß ist auch
ein Pyrometer geschaffen, mit einer (integrierten) Vorrichtung zur
Visualisierung eines Messflecks wie oben beschrieben.
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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.
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Analog
zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird demnach ein Verfahren bereitgestellt, dass eine verschleißfreie Visualisierung
eines Messflecks auf einem Messobjekt ermöglicht.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nun erläutert
anhand von beispielhaften Ausführungen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen
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1 schematisch
eine Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks nach einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 schematisch
eine Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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3 Beispiele
von anhand der Vorrichtung aus 1 oder 2 erzeugten
Kreismustern zur Visualisierung des Messfleckes, und
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4 Beispiele
von anhand der Vorrichtung aus 1 oder 2 erzeugten
Muster in einer Bildmatrix zur Visualisierung des Messfleckes.
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zur Visualisierung eines Messflecks
nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung umfasst einen Mikrospiegel 1,
auf den ein mittels einer Laserquelle 2 erzeugter Laserstrahl 2a geworfen
wird. Der Mikrospiegel 1 reflektiert den Laserstrahl 2a auf
einen Prismenring 3, welcher den Laserstrahl 2a bricht
und auf ein Objekt (nicht gezeigt) ausrichtet, dessen Temperatur
gemessen werden soll (Messobjekt).
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Der
Mikrospiegel 1 wird durch einen Mikrocontroller 5 angesteuert.
Das Ausgangssignal des Mikrocontrollers 5 ist einem Spannungskonvertierer 4 zugeführt, dessen
Ausgangssignal das Steuersignal für den Mikrospiegel 1 bildet.
Der Spannungskonvertierer 4 ist außerdem an eine Spannungsquelle 6 angeschlossen,
die die Versorgungsspannung der Vorrichtung bereitstellt.
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Der
Mikrocontroller 5 erzeugt jeweils ein Steuersignal für eine Auslenkung
des Mikrospiegels 1 in x- und y-Richtung. Dies bedeutet,
dass der Mikrospiegel 1 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
Mikrocontroller 5 enthaltene Firmware bestimmt. Dabei bestimmt
die Phasenlage der Steuersignale die Form des auf dem Messobjekt
entstehenden Bildes.
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Durch
das Steuersignal wird der Mikrospiegel 5 in Bewegung versetzt,
um auf dem Messobjekt ein Muster 8 zu erzeugen, dass den
Messfleck visualisiert. In der beispielhaften Ausführung von 1 wird
der Mikrospiegel 1 in x- und y-Richtung in Resonanz erregt,
so dass der Laserstrahl 2a auf dem Messobjekt rotiert und
ein kreisförmiges
Muster 8 beschreibt.
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Der
Laserquelle 2 ist eine Steuereinheit 9 zugeordnet,
die die Laserquelle pulst, d. h. zu vorbestimmten Zeitpunkten abhängig von
der Ansteuerung des Mikrospiegels 1 an- und ausschalten
kann. Bei gepulster Laserquelle 2 erscheint der Messfleck 8 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 Mikrospiegels 5 zu jedem Zeitpunkt
bekannt ist, kann durch Ein- und Ausschalten der Laserquelle 2 eine
beliebige Abfolge von Punkten und/oder Segmenten erzeugt werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 1 bewirkt der Prismenring 3, dass der
auf das Messobjekt projizierte Laserstrahl den Messfleck unabhängig vom
Abstand der Vorrichtung vom Messobjekt umrandet.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 2 ist anstatt des Prismenringes 3 ein
Entfernungsmesser 7 vorgesehen. Der Entfernungsmesser 7 misst
die Entfernung der Vorrichtung zum Messobjekt auf optische oder
akustische Art und Weise und führt
dem Mikrocontroller 5 das Messergebnis zu. Der Mikrocontroller 5 steuert
die Amplitude der Ansteuerung des Mikrospiegels 1 abhängig von
der gemessenen Entfernung. Somit wird ebenfalls sichergestellt,
dass das dargestellte Muster 8 den Messfleck entfernungsunabhängig visualisiert.
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3 illustriert
Beispiele von Muster zur Visualisierung des Messfleckes, die mittels
der Vorrichtung aus 1 oder 2 bei Anregung
des Mikrospiegels 1 in Resonanz darstellbar sind. 3a) zeigt einen kreisförmigen Messfleck bestehend
aus Kreispunkten, die durch Pulsen der Laserquelle 2 erzeugt
werden, wobei die AN- und
AUS-Phasen der Laserquelle 2 im Wesentlichen die gleiche
Dauer aufweisen. In dem Beispiel der 3b)
besteht der kreisförmige
Messfleck aus Kreissegmenten, wobei die "AN"-Phasen
der Laserquelle 2 länger
andauern als die "AUS"-Phasen. In 3c) besteht der Messfleck aus einem scheinbar
geschlossenem Kreis, der durch schnelles Rotieren (ohne Pulsen)
des Laserstrahles der Laserquelle 2 erzeugt wird. Insgesamt lassen
sich somit kreisförmige
Messflecken darstellen, die aus Kreispunkten oder -segmenten gebildet werden,
deren Dauer und Abstände
frei festlegbar sind.
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4 illustriert
Beispiele von Bildmustern, die mittels der Vorrichtung aus 1 und 2 bei (quasi)statischer
Ansteuerung des Mikrospiegels 1 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 Mikrospiegels 1 in x- und y-Richtung. Vorzugsweise
liegt die geringstmögliche
Auslenkung unterhalb des Radius eines einzelnen Laserpunktes.
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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 Mikrocontroller 5 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 Mikrocontroller 5 in Steuersignale übersetzt,
wodurch der Mikrospiegel 1 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.
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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.
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4a) zeigt ein Bildmuster in Form eines Fadenkreuzes,
wodurch eine besonders klare Kennzeichnung des Mittelpunktes des
Messfeldes möglich ist.
Die Ausdehnung des Fadenkreuzes in x- und y-Richtung kennzeichnet
die Ausdehnung des Messfleckes.
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4b) zeigt ein Bildmuster in Form eines Negativkreises
mit Mittelpunktkennzeichnung. Umgekehrt zeigt 4c) ein
Bildmuster in Form eines Positivkreises mit Mittelpunktkennzeichnung.
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4d) zeigt ein Bildmuster, das durch alphanumerische
Projektion des Messwertes der Temperatur des Messobjektes oder von
Parameter der Messvorrichtung gebildet wird.
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Anzumerken
ist, die beschriebenen Ausführungsbeispiele
lediglich beispielhafter Natur sind und die Erfindung Abwandlungen
innerhalb des durch die Schutzansprüche definierten Schutzbereiches
umfasst.