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Die
Erfindung betrifft eine IR-Messanordnung zur Messung und Darstellung
der Temperaturverteilung an der Oberfläche eines Messobjektes gemäß der Gattung
der Patentansprüche.
Dabei kann es sich um vorzugsweise zylindrische oder prismatische
Objekte handeln, deren Mantelabmessungen im Vergleich zu ihrem Umfang
klein (Scheibe), gleich (Bolzen) oder groß (Stab) sind. Handelt es sich
um hohle stabförmige
Objekte, so können
diese Rohre, becherförmige,
flaschenförmige
oder ringförmige Körper sein.
Bevorzugt kann die Oberflächentemperaturverteilung
an der äußeren und/oder
inneren Mantelfläche
von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Objekten gemessen werden.
Solche Objekte können
auch Wellen, Achsen, Seile, Ketten, Tiegel, Gläser o. dgl. sein. Die Oberflächentemperaturverteilung
kann auch an medizinischen Objekten erfasst werden. Es versteht
sich von selbst, dass auch ein Temperaturanteil aus der Materialtiefe
in der Oberflächentemperatur
enthalten sein kann. Die Temperatur soll berührungslos mit Pyrometern, Strahlungsthermometern,
Bolometern, Infrarotkameras oder anderen Strahlungstemperatur-Messinstrumenten
gemessen und unmittelbar dargestellt werden.
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Bekanntlich
erfolgt die Messung der Oberflächentemperatur,
indem mit einem geeigneten Messinstrument das Objekt innen bzw.
außen
punktweise bzw. ausschnittweise abgetastet wird, siehe z. B.
DE 197 36 769 C1 ,
wo zur Ermittlung und/oder Darstellung der in der Lauffläche eines
Reifens beim Abrollen erzeugten Temperatur in peripherer Richtung
einzelne aufeinanderfolgende Abschnitte erfasst werden. Dieses Vorgehen
hat den Nachteil eines erhöhten
Aufwandes und einer ungenauen Messung. Der Nachteil des Aufwandes
liegt im Verfahren der Abtastung selbst begründet, das mit einem erheblichen
instrumentellen und zeitlichen Aufwand verbunden ist. Die ungenaue
Messung ergibt sich daraus, dass vereinfachend angenommen wird,
dass während
der Messzeit die Temperatur sich nicht ändert oder regelmäßig ändert, was
aber durchaus nicht immer der Fall ist. Eine prinzipiell ähnliche
Anordnung ist in der
EP
1118848 A2 offenbart.
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Aus
der
DE 20 2004
004 402 U1 und der
US 4
409 042 A sind Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Bestimmung
der Temperatur von langgestreckten sich ggf. bewegenden Objekten
bekannt, die nach dem Prinzip der Ulbricht-Kugel arbeiten, d.h.
durch Vielfachreflexion in einem Hohlraum ein homogenes Strahlungsfeld
aufbauen, das pyrometrisch erfasst wird. Es wird also das Strahlungsfeld
eines axial relativ lang sich erstreckendem Umfangbereichs integral erfasst.
Diese Anordnungen geben keine Auskunft über die punktuelle Temperaturverteilung
entlang eines Objektumfangs und erlauben auch nicht, diese Temperaturdifferenzen über den
Umfang (ähnlich
einem Temperaturprofil) gleichzeitig zu erfassen. Letzteres gilt
auch für
die
WO 94/09348 A1 und
die
EP 1 118 848 A2 .
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Die
DD 279 309 C2 offenbart
eine Vorrichtung zur berührungslosen
Messung der Temperatur von Innenwänden rohrförmiger Messobjekte. Mit Hilfe
eines im Messobjekt axial verstellbaren Messrohres, das im Messobjekt
eine kleine abbildende, linsen- oder kegelförmige Ringfläche und
außerhalb eine
ebene Ringfläche
aufweist wird die Thermostrahlung erfasst und über weitere abbildende Bauteile
auf einen Empfänger
geleitet. Grundsätzlich
erfolgt bei dieser Lösung
die Erfassung der IR-Strahlung
durch Brechung und Abbildung und ist wenig genau, weil die Linse
bzw. der Kegel sehr klein ist, die IR-Strahlung bei der Brechung
ungünstig
dispergiert und IR-Strahlung von verschiedenen Ursprungsorten bzw.
unterschiedlicher Richtung in die Abbildung einbezogen werden.
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Darüber hinaus
handelt es sich bei der
DD 279
309 C2 um einen speziellen Anwendungsfall, der bei weitem
nicht auf jeden Fall der Innenwandtemperaturmessung anwendbar ist
und keine Hinweise gibt, wie bspw. bei Außenwandtemperaturmessung zu
verfahren ist. Insgesamt ist die dort getroffene optische Anordnung
sehr aufwändig
und wenig genau.
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Durch
die Erfindung sollen die aufgezeigten Nachteile vermieden und eine
instrumentell einfache Möglichkeit
der Temperaturmessung und -darstellung geschaffen werden, bei der
ein Temperaturgang während
der Messung nicht möglich,
die Temperaturverteilung über
den Umfang differentiell und gleichzeitig erfassbar und die der
Automatisierung der Messung günstig
zugänglich
ist.
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Gemäß der Erfindung
wird das durch die Merkmale des Kennzeichens des ersten Anspruchs erreicht.
Es kann auch sein, dass wegen der bspw. hufeisenförmigen Gestaltung
des Messobjektes in Umfangsrichtung nur ein Teil des Umfangs, der
allerdings für
die Temperaturbestimmung wesentlich ist, thermographisch erfasst
wird. Die IR-Spiegelanordnung selbst kann einen einstückigen Spiegel
enthalten, der das temperaturmäßig abzutastende
und darzustellende Objekt umgibt oder von ihm umgeben ist und der
kegelig oder trichterförmig
gestaltet ist. Wenn hierbei von einer kegeligen Reflexionsfläche die Rede
ist, so sind damit die Mantelfläche
einer Pyramide ebenso einbegriffen wie die Mantelflächen von entsprechenden
Pyramiden- oder Kegelstümpfen. Bei den
Kegeln bzw. Pyramiden kann es sich auch um schiefe Spiegelanordnungen
handeln. Bei der IR-Spiegelanordnung kann der Kegel- oder Trichterspiegel
auch aus mehreren Einzelspiegeln bestehen, von denen nur gefordert
wird, dass sie die von der thermographisch zu erfassenden Oberfläche eines Messobjekts
ausgehende Wärmestrahlung
gleichzeitig auf einen geeigneten Sensor, vorzugsweise eine Wärmekamera
reflektiert. Dadurch ist es möglich eine
der jeweiligen Spiegelzahl entsprechende Anzahl von Messwerten an
Umfangspositionen des Messobjektes unverfälscht zu erhalten. Die Erfassung
der Verteilung der Wärmestrahlung
eines Objektumfangs oder eines größeren Teils des Umfangs des
Messobjektes kann vorteilhaft digital erfolgen und in einem Auswertegerät registriert
bzw. sichtbar gemacht werden. Der Sensor kann sich in Verlängerung
der geometrischen Achse des Objekts oder seitlich zu dieser Achse
angeordnet sein; die Sensorachse und die geometrische Achse des
Messobjektes können
also in Abhängigkeit
von den spezifischen Anwendungsbedingungen einen Winkel von 0° bis 90° einschließen. In
diesem Fall kann vorteilhaft zwischen der den Umfang erfassenden
IR-Spiegelanordnung
und dem IR-Sensor ein IR-Umlenkspiegel an geeigneter Stelle eingefügt sein.
Es ist aber auch möglich,
die Einzelspiegel der IR-Spiegelanordnung so zu gestalten und anzuordnen,
dass die von ihnen reflektierte Wärmestrahlung direkt, also ohne
Zwischenschaltung eines Umlenkspiegels, zum IR-Sensor gelangt. Aus
Platzgründen
oder zur Vermeidung ungünstiger
Reflexionswinkel kann dabei der IR-Sensor geneigt zum Messobjekt
bzw. zu dessen geometrischer Achse angeordnet sein. Die Einzelspiegel sind
vorteilhaft justierbar angeordnet, und zwar ist jeder für sich allseitig
schwenkbar und parallel zur Objektachse verstellbar gelagert. Anwendungsbedingt können sie
vorteilhaft nicht nur räumlich
unterschiedlich orientiert sein, sondern auch unterschiedliche Größen und
Formen haben. Günstigerweise
besteht die IR-Spiegelanordnung bzw. ihr Träger aus mindestens zwei in
axialer Richtung trennbaren Teilen, die um ein Messobjekt in einfacher
Weise herumgelegt werden können.
Schließlich
ist es möglich,
die IR-Spiegelanordnung im Bedarfsfall so zu gestalten, dass sie
in die geometrische Achse des Messobjektes enthaltenden Ebenen Krümmungen
aufweist.
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Der
IR-Spiegelanordnung ist vorteilhaft ein Zusatzkörper zugeordnet, der sowohl
einen Referenzkörper
bzw. eine Referenzfläche
als auch eine Hülle
aufweist, die eine gekrümmte
oder einhüllende Form
aufweisen können.
Deren Temperatur wird eingestellt, geregelt und/oder gemessen. IR-Spiegelanordnung
und Referenzkörper
können
hierzu elektrisch oder mit Hilfe eines Massestroms beheizt oder gekühlt werden.
Ein Referenzkörper
ist immer dann notwendig, wenn das Messobjekt nicht wenigstens annähernd ein
schwarzer Körper
ist. Das Emissionsvermögen
des Referenzkörpers
soll bekannt sein oder gemessen werden können. Der oder die Referenzkörper ist/sind
beim Trichterspiegel um das Messobjekt und beim Kegelspiegel im
Messobjekt angeordnet und mit der jeweiligen IR-Spiegelanordnung
fest verbunden. Sie können
sich beim Kegelspiegel oder einer vergleichbaren Spiegelanordnung aus
Sicht der Wärmekamera
vor oder hinter der IR-Spiegelanordnung befinden. Zur Einstellung
und Messung der Temperatur der Referenzkörper sind Heizelemente und
Temperaturfühler
vorgesehen. Die Gestalt der Oberfläche des Zusatzkörpers ist
derart, dass sie einen großen
Raumwinkel über
der zu messenden Umfangsfläche
einnimmt und den Eigenschaften eines schwarzen Körpers nahe kommt. Damit wird
erreicht, dass im Falle eines teilweise reflektierenden Umfangs
die vom Zusatzkörper
kommende und am Umfang sowohl gerichtet als auch diffus reflektierte
IR-Strahlung in der IR-Messanordnung berücksichtigt werden kann und
somit die korrekte Umfangstemperatur ermittelt wird. Die Bemessung
des Reflexionswinkels der IR-Spiegel richtet sich insbesondere nach
der Lage und Größe des Zusatzkörpers sowie
nach dem Durchmesser des Messobjektes, dem Messwinkel des Messgerätes (dem
Kamerasichtfeld) und dem erforderlichen Abstand des Messobjektes
zur IR-Spiegelanordnung. Die Gesamtgestaltung der IR-Spiegelanordnung
und des Zusatzkörpers
ermöglicht
bei vorausgesetztem Reflexionsvermögen des Messobjektes (kein
schwarzer Körper),
dass der überwiegende
Teil der gerichteten und diffusen Umgebungswärmestrahlung zum Messobjekt
vom Zusatzkörper
herrührt.
Ist diese Bedingung erfüllt,
dann können
die Referenzkörpertemperatur
und die Emissions-/Absorptionswerte bei der Auswertung der Messwerte
des IR-Messgerätes
berücksichtigt
und so die wahre Oberflächentemperatur des
Körpers
ermittelt werden.
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Damit
an einem langen Körper
die gesamte Oberfläche
innen bzw. außen
erfasst werden kann, sind der Körper
und die IR-Spiegelanordnung ggf. mit dem IR-Sensor kontinuierlich
oder in Stufen mit Hilfe geeigneter mechanischer Mittel relativ
zueinander verstellbar angeordnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung von
fünf Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
stellen die 1 bis 3 und 6 Axialschnitte
dar, während
die 4 und 5 perspektivische Zeichnungen
von IR-Spiegelanordnungen beinhalten. Im Einzelnen zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
der Erfindung, bei der ein Trichterspiegel das Messobjekt umgibt,
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2 eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung, bei der ein Kegelspiegel von einem Messobjekt umgeben
und an der Kegelbasisfläche
ein Referenzkörper
befestigt ist,
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3 eine
ausschnittsweise Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels, bei dem sich
der Referenzkörper
an der Deckfläche
eines Kegelstumpfes befindet,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer Anordnung von einzelnen Spiegeln, die sämtlich auf
einen Umfang ausgerichtet sind,
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5 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem einzelne Spiegel unterschiedlicher Form und
Größe verwendet
werden und
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6 ein
sechstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ausschnittsweise mit einem Zusatzkörper mit gekrümmter Mantelfläche.
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In 1 ist
ein Messobjekt 10, bspw. ein Stab oder Rohr; durch eine Öffnung 11 eines IR-Trichterspiegels 12 und
eine Öffnung 13 eines IR-Umlenkspiegels 14 geführt. Am
Trichterspiegel 12 befindet sich auf der dem Umlenkspiegel 14 zugewandten
Seite konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse X-X ein hohler Zusatzkörper (Referenzkörper) 16,
der mit dem Trichterspiegel 12 verbunden ist. Im Zusatzkörper 16 sind
Heiz- oder Kühlelemente 17 vorgesehen,
die für
eine Konstanthaltung der Temperatur des Referenzkörpers 16 sorgen
und verfälschende äußere Temperatureinflüsse vom
Messobjekt 10 bzw. von seinem zur Messung herangezogenen über den
gesamten Umfang sich erstreckenden Oberflächenbereich 21 fernhalten.
Zur Überwachung der
Temperaturkonstanthaltung sind im Zusatzkörper 16 Temperaturmessfühler oder
Thermoelemente 18 angeordnet. Ein IR-Messgerät 19, bspw. eine IR-Kamera,
ist seitlich zur Achse X-X so angeordnet, dass seine optische Achse
O-O im gedachten Zentrum des Spiegels 14 rechtwinklig zur
Achse X-X gerichtet ist. Die Anordnung ist so getroffen, dass das
Kamerasichtfeld 20 größer ist
als der durch den Trichterspiegel 12 bestimmte Bereich
und dass die Kamerastrahlen nicht in sich selbst reflektiert werden.
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Die
im selben Augenblick vom IR-Messgerät 19 hinsichtlich
ihrer Temperatur erfasste Oberfläche ist
der ringförmige
Umfangsbereich 21 des Messobjektes 10. Zur Erfassung
aller Oberflächentemperaturen
des Messobjektes 10 ist seine kontinuierliche oder stufenweise
Verschiebung des Messobjektes oder der IR-Spiegelanordnung und Wiederholung
der thermographischen Aufnahme erforderlich.
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In 2 ist
ein hohlzylindrisches, nichtschwarzes Messobjekt 10 dargestellt,
von dessen innerer Oberfläche 101 die
Temperatur zu ermitteln und darzustellen ist. Ein kegelstumpfartiger
Spiegel 22 ist im wesentlichen konzentrisch zur Achse X-X angeordnet
und an seiner größeren Bodenfläche 221 mit
einem beheiz- oder kühlbaren
Referenzkörper 23 in
Form eines Vollzylinders versehen, der verhindert, dass die Messung
der Oberflächentemperatur
durch aus der Umgebung eines Messbereichs 21 einfallende
Strahlung verfälscht
wird. Die kleinere Deckfläche 222 des
kegelstumpfartigen Spiegels 22 ist einem vorzugsweise ebenen
IR-Umlenkspiegel 14 zugekehrt, der einen vom Spiegel 22 kommenden IR-Strahlengang 24 unverfälscht zu
einem IR-Messgerät 19 reflektiert,
dessen Messwerte in einer Anzeige- und Auswerteeinheit 25 der
Betrachtung zugänglich
und/oder weiter verarbeitet werden. Der Messwinkel des IR-Messgerätes 19 in
der Nähe
des Messobjektes 10 ist mit 26 bezeichnet.
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Damit
die Temperaturmessung im Messbereich 21 ohne Fremdbeeinflussungen
richtig vorgenommen werden kann, ist es auch möglich, ohne Referenzkörper auszukommen,
wenn diese Fremdbeeinflussungen bekannt sind und bei der Auswertung in
der Einheit 25 (Anzeige- und/oder Auswerteeinheit) Berücksichtigung
finden können.
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In 3 ist
wieder ein hohles Messobjekt 10 dargestellt, dessen Oberflächentemperatur
an der Innenseite 101 bestimmt werden soll. Im Inneren
des Messobjektes 10 ist koaxial zu einer gemeinsamen Achse
X-X ein Kegelspiegel 22 angeordnet,
mit dem ein Referenzkörper 23 dem
nicht dargestellten IR-Messgerät
zugewandt verbunden ist. Der Kegelspiegel 22 reflektiert
den von einem definierten Messbereich 21 der Innenwand 101 ausgehenden
Wärmestrahlengang 24 koaxial
zur optischen und mechanischen Achse X-X in Richtung eines nicht
dargestellten IR-Messgerätes,
das entweder axial angeordnet oder zu dem der Wärmestrahlengang 24 über einen
oder mehrere ebene oder gekrümmte
Umlenkspiegel geführt
wird.
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Der
Kegelspiegel 22 ist mit einer parallel zur Achse X-X gerichteten
Zahnstange 27 verbunden, die in einer Führung 28 gleitet und
mit einem von einem Motor 29 über eine Welle 30 angetriebenen
Ritzel 31 im Eingriff steht. Ein Support 32 trägt die gesamten
Bauteile vom Motor 29 bis hin zum Kegelspiegel 22 und
ist relativ zum Messobjekt 10 bewegbar. Durch einen entsprechenden
Antrieb des Ritzels 31 und der Zahnstange 27 werden
Kegelspiegel 22 und Referenzkörper 23 gegenüber dem
Messobjekt 10 axial verschoben, so dass es durch Verlagerung des
Messbereichs 21 möglich
ist, sukzessive die Oberflächentemperatur
der Innenwand 101 zu ermitteln. Im Übrigen gilt das zu den 1 und 2 Gesagte
zumindest sinngemäß.
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In 4 ist
ein gemeinsamer ringförmiger Träger 33 mit
Handhabe 330 für
acht ebene Einzelspiegel 34 vorgesehen, die sämtlich auf
den Umfang bzw. einen Umfangsbereich eines zylindrischen Messobjektes 10 mit
der geometrischen Achse X-X ausgerichtet sind. Jeder Einzelspiegel 34 ist
auf einem Spiegelhalter 341 befestigt, der auf dem Träger 33 um
eine zur Achse X-X im wesentlichen parallele Achse mit Hilfe eines
(höhenverstellbaren)
Ständers 342 drehbar
und an diesem Ständer
mit Hilfe eines Scharniers 343 um eine zum Ständer im
wesentlichen rechtwinklige Achse schwenkbar ist. Die Einzelspiegel 34 befinden
sich in regelmäßiger Anordnung nach
Art eines Trichterspiegels um eine Ringausnehmung 331,
durch die das Messobjekt 10 geführt ist, und reflektieren eine
vom Umfang des Messobjektes 10 ausgehende IR-Strahlung 24 in
Richtung der geometrischen Achse X-X des Messobjektes. Ist dieses Messobjekt
ein schwarzer Körper,
dessen Emissionsvermögen "eins" ist, muss ein Referenzkörper nicht
vorgesehen sein. Es versteht sich von selbst, dass das Reflexionsvermögen der
Spiegel 34 bekannt bzw. messbar sein muss. Im Übrigen gilt
das zu den 1 bis 3 Gesagte
zumindest sinngemäß.
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In 5 ist
ein Messobjekt 10 mit der geometrischen Achse X-X von einem
Träger 33 für Spiegel 35 umgeben,
die unterschiedliche Größe, Gestalt und
räumliche
Orientierung haben können.
Im vorliegenden Fall sind nur ihre räumlichen Orientierungen unterschiedlich.
Jeder Spiegel 35 ist über
ein Kugel- oder Kardangelenk 351 mit dem oberen Ende eines Ständers 352 verbunden,
der seinerseits parallel zur Achse X-X gegenüber dem Träger 33 höhenverstellbar
ist. Außerdem
ist ein Referenzkörper 36 mit
der Halterung 33 verbunden, der bei der Messung eine bekannte
Strahlungsenergie aussendet und äußere Temperatureinflüsse abschirmt.
Alle Spiegel 35 sind auf einen Umfangsbereich 21 des
Messobjektes 10 ausgerichtet, dessen Oberflächentemperatur
gemessen und dargestellt werden soll und dem vom Referenzkörper 36 Strahlungsenergie
zugeführt
wird. Die vom Umfangsbereich 21 ausgehende IR-Strahlung wird
von den Spiegeln 35 unter spitzen Winkeln zur geometrischen
Achse X-X des Messobjektes 10 in Richtung eines IR-Messgeräts 19 reflektiert.
Eine solche Führung
des IR-Strahlenganges kann aus Platzgründen von Bedeutung sein. Der
Träger 33 besteht aus
zwei Teilen 332 und 333, die zunächst einzeln sind
und erst nachdem sie um das Messobjekt 10 herumgelegt wurden,
an ihren Trennstellen 334 miteinander fest verbunden (verschraubt,
verklammert) worden sind. Dadurch vereinfacht sich die Technologie
zur Messung.
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In 6 ist
ein hohles Messobjekt 10 mit einer geometrischen Achse
X-X dargestellt,
dessen Innenfläche 101 thermographisch
vermessen werden soll. Wegen der Größe des Messobjektes 10 ist
dies nur in Messbereichen 21 der Oberflächen möglich. Im Inneren des Messobjektes 10 befindet
sich ein mit einer Spindel 15 parallel zur Achse X-X verstellbarer kegelstumpfartiger
Spiegel 22, an dessen Bodenfläche 221 ein Referenzkörper 36 angebracht
ist. Der mit Heiz- und/oder
Kühlelementen 17 sowie
mit Thermoelementen 18 versehene Referenzkörper 36 besitzt
eine speziell gekrümmte
Mantelfläche 361,
die gewährleistet,
dass die vom Referenzkörper 36 kommende
und am Messbereich 21 gerichtet und diffus reflektierte
IR-Strahlung 24 maximal erfasst und von der IR-Messeinrichtung
(nicht dargestellt) berücksichtigt
wird.
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Die
Anwendung der Erfindung ist grundsätzlich nicht auf rotationssymmetrische
Messobjekte begrenzt. Ebenso können
die IR-Spiegelanordnung und/oder
die Umlenkspiegel gekrümmt
sein. Der Zusatzkörper
kann aus einem Referenzkörper
und einer schützenden
und wärmeisolierenden
Hülle bestehen oder
der Referenzkörper
kann als solche fungieren. Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden
Ansprüchen
und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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- 10
- Messobjekt
- 11,
13
- Öffnung
- 12
- Trichterspiegel
- 14
- IR-Umlenkspiegel
- 15
- Spindel
- 16,
23
- Zusatzkörper, Referenzkörper
- 17
- Heiz-
oder Kühlelemente
- 18
- Temperaturmessfühler, Thermoelemente
- 19
- IR-Messgerät (IR-Kamera)
- 20
- Kamerasichtfeld
- 21
- Messbereich,
Oberflächenbereich
- 22
- Kegelspiegel
- 24
- IR-Strahlengang
- 25
- Anzeige-
und/oder Auswerteeinheit
- 26
- Messwinkel
- 27
- Zahnstange
- 28
- Führung
- 29
- Motor
- 30
- Welle
- 31
- Ritzel
- 32
- Support
- 33
- Träger
- 34,
35
- Spiegel
- 36
- Referenzkörper, -fläche
- 37
- Pfeil
- 101
- Oberfläche
- 221
- Bodenfläche
- 222
- Deckfläche
- 330
- Handhabe
- 331
- Ausnehmung
- 332,
333, 334
- Teile
- 341
- Spiegelhalter
- 342
- Ständer
- 343
- Scharnier
- X-X
- geometrische
Achse
- O-O
- optische
Achse