DE102008001067A1 - Radiometric sensor device for non-contact temperature measurement and method for radiometric, non-contact temperature monitoring of a detection range - Google Patents
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- G08B13/22—Electrical actuation
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- G08B13/2491—Intrusion detection systems, i.e. where the body of an intruder causes the interference with the electromagnetic field
Abstract
Die Erfindung betrifft eine radiometrische Sensoreinrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung in einem Erfassungsbereich (5), die aufweist: eine Antenne (2) zum Empfang von Radio- und/oder Mikrowellenstrahlung (R) und Ausgabe eines Mikrowellensignals (S1) und Mittel (3, 4, 8) zur Aufnahme und Auswertung des Mikrowellensignals (S1) und Ausgabe eines Ausgabesignals (S2). Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die Mittel zur Aufnahme und Aufwertung des Mikrowellensignals (S1) aus dem Mikrowellensignal (S1) aufeinander folgende diskrete Bezugswerte (Tbi) ermitteln und aus zeitlichen Änderungen der diskreten Bezugswerte (Tbi) ermitteln, ob eine relevante Temperaturänderung in dem Erfassungsbereich (5) erfolgt ist. Hierzu weisen die Mittel vorzugsweise auf: eine Radiometer-Einrichtung (3) zur Aufnahme des Mikrowellensignals (S1) und Ausgabe eines analogen Bandsignals (B) und eine Ermittlungseinrichtung (4) zur Aufnahme und Auswertung des Bandsignals und Ermittlung der diskreten Bezugswerte (Tbi) und eines zeitlichen Temperaturverhaltens in dem Erfassungsbereich (5). Weiterhin ist ein entsprechendes Verfahren vorgesehen.The invention relates to a radiometric sensor device for non-contact temperature measurement in a detection area (5), comprising: an antenna (2) for receiving radio and / or microwave radiation (R) and outputting a microwave signal (S1) and means (3, 4, 8) for receiving and evaluating the microwave signal (S1) and outputting an output signal (S2). According to the invention, it is provided that the means for receiving and enhancing the microwave signal (S1) from the microwave signal (S1) determine successive discrete reference values (Tbi) and determine from temporal changes of the discrete reference values (Tbi) whether a relevant temperature change in the detection range (5) is done. For this purpose, the means preferably comprise: a radiometer device (3) for receiving the microwave signal (S1) and outputting an analog band signal (B) and a detection device (4) for receiving and evaluating the band signal and determining the discrete reference values (Tbi) and a temporal temperature behavior in the detection area (5). Furthermore, a corresponding method is provided.
Description
Stand der TechnikState of the art
Sensoreinrichtungen zur berührungsfreien Temperaturmessung werden für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt, insbesondere zum Brandschutz oder zur Erfassung von Personen.sensor devices for non-contact temperature measurement are for used different tasks, especially for fire protection or for the detection of persons.
In Kfz-Alarmanlagen bzw. Innenraumüberwachung von Fahrzeugen werden Ultraschall-, Radar-, Infrarot-Sensoren oder Videokameras eingesetzt. In Gebäudealarmanlagen kommen insbesondere Infrarotsensoren oder Doppler-Radar-Messeinrichtungen zum Einsatz. Als Schutzsensorik für Elektrowerkzeuge, z. B. als Sägestopp zur Vermeidung von Verletzungen des Benutzers sind insbesondere kapazitive Verfahren bekannt; hierbei wird oftmals die Säge beim Auslösen der Schutzsensorik zerstört. Beim Kfz-Fußgängerschutz werden insbesondere Radar-, Ultraschall- oder Infrarotsensoren verwendet.In Car alarm systems or interior monitoring of vehicles be ultrasound, radar, infrared sensors or video cameras used. In building alarm systems come in particular Infrared sensors or Doppler radar measuring devices are used. As a protection sensor for power tools, z. B. as a saw stop in particular to avoid injury to the user are capacitive Known method; This is often the saw when triggered destroyed the protection sensor. When car pedestrian protection in particular radar, ultrasonic or infrared sensors are used.
Weiterhin ist es bekannt, für Komfortverstellungen im Fahrzeug, z. B. eine Komfort-Entry-Go-Verstellung, Näherungssensoren als kapazitive Sensoren oder Radarsensoren einzusetzen.Farther it is known for comfort adjustments in the vehicle, z. B. a comfort entry-Go adjustment, proximity sensors to be used as capacitive sensors or radar sensors.
Radar- und Ultraschall-, Videokamera- und kapazitive Messungen ermöglichen hierbei Abstands- und Differenzgeschwindigkeitsmessungen. Berüh rungslose Temperaturmessungen erfolgen hingegen im allgemeinen radiometrisch, d. h. durch Messung der Bestrahlungsstärke.Radar- and enable ultrasound, video camera and capacitive measurements here distance and differential speed measurements. Touchless Temperature measurements, however, are generally radiometric, d. H. by measuring the irradiance.
Infrarotsensoren ermöglichen hierbei Temperaturmessungen durch Erfassung der Wärmestrahlung im IR-Bereich, wobei die elektromagnetische Strahlung des Temperaturstrahlers in diesem Wellenlängenbereich jedoch leicht abgeschirmt werden kann.infrared sensors enable temperature measurements by recording the heat radiation in the IR range, the electromagnetic Radiation of the temperature radiator in this wavelength range However, it can be easily shielded.
Neben photonischen Temperaturmessungen durch Infrarotsensoren sind weiterhin radiometrische Millimeterwellen-Messungen bekannt, insbesondere zur Detektion von Minen, für die Oberflächenanalyse und in der Astronomie bekannt. Hierbei wird die Temperaturstrahlung des betrachteten Körpers im langwelligen Bereich des Spektrums, insbesondere Millimeter- Wellenlängenbereich oder Megahertz-Frequenzbereich, aufgenommen, wobei im allgemeinen ein Rauschsignal ermittelt wird. Anders als die photonischen Infrarot-Messungen durch Fotodioden oder ähnliche Sensoren erfolgt die Aufnahme der Radiostrahlung als Frequenzmessung über Antennen bzw. Dipol-Antennen. Es ergibt sich hierbei auch für höhere Frequenzen ein nicht so stark abfallendes Signal wie bei einer photonischen Messung.Next Photonic temperature measurements by infrared sensors are still radiometric millimeter wave measurements known, in particular for Detection of mines, for surface analysis and known in astronomy. Here, the temperature radiation of the observed body in the long-wave range of the spectrum, in particular millimeter wavelength range or megahertz frequency range, recorded, wherein a noise signal is generally determined. Unlike the photonic infrared measurements by photodiodes or similar sensors, the recording of the radio radiation takes place as frequency measurement via antennas or dipole antennas. It also results in higher frequencies a signal that does not drop as much as a photonic one Measurement.
Radiometrische Temperaturermittlungen weisen gegenüber Temperatursensoren im Infrarotbereich einige Vorteile auf. So kann die Strahlung aus tieferen Bereichen des betrachteten Objektes bzw. des Erfassungsbereiches erfasst werden. Eine Abschirmung der Radiowellenstrahlung ist in der Regel lediglich durch Metallflächen, nicht jedoch durch Kleidung oder andere dünnere Objekte möglich.Radiometric Temperature determinations point towards temperature sensors in the infrared range some advantages. So the radiation can be from deeper Areas of the considered object or the detection area be recorded. A shielding of the radio wave radiation is in usually only by metal surfaces, but not by Clothing or other thinner objects possible.
Diese Millimeter-Radiometer sind im Allgemeinen diskret aufgebaut und müssen aufwendig kalibriert werden, da eine absolute Rauschtemperaturmessung erforderlich ist. Hierbei ist für die Kalibrierung im Allgemeinen ein Schalter im Empfangsteil erforderlich.These Millimeter radiometers are generally discreet and constructed must be calibrated consuming, since an absolute noise temperature measurement is required. This is for the calibration in general a switch in the receiver required.
Die
Die
Kalibration des Messsignals durch Vergleichsmessungen gemäß der
Weiterhin sind aktive Messungen im Radar-Wellenlängenbereich bekannt, bei denen jedoch in der Regel Einschränkungen auf schmale ISM-Bänder erforderlich sind, die die Leistungsfähigkeit des Radarsystems beschränken und langwierige und kostspielige Zulassungsverfahren erfordern. Weiterhin sind klassische Radarsensoren unter Aussendung von Radarstrahlung aufgrund des Elektrosmogs nicht unproblematisch.Farther active measurements in the radar wavelength range are known, however, these are usually restricted to narrow ones ISM tapes are required that increase the performance restrict the radar system and tedious and costly Authorization procedures require. Furthermore, classic radar sensors under transmission of radar radiation due to electrosmog not unproblematic.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein passives Detektionssystem bzw. Überwachungssystem unter Messung der temperaturabhängigen Radiostrahlung und/oder Mikrowellenstrahlung, insbesondere von Millimeter- oder Mikrowellen, angestrebt. Vorteilhafterweise können hierbei Millimeterwellen mittels einer Antenne bzw. radiometrisch detektiert werden, da derartige radiometrische Antennen gegenüber Mikrowellensensoren mit geringeren Kosten in großen Stückzahlen herstellbar sind.According to the invention a passive detection system or surveillance system under Measurement of the temperature-dependent radio emission and / or Microwave radiation, in particular of millimeter or microwaves, sought. Advantageously, this millimeter waves be detected by an antenna or radiometrically, since such radiometric antennas with respect to microwave sensors with Lower costs can be produced in large quantities are.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine radiometrische Messung der Temperaturstrahlung im Radiowellenbereich und/oder Mikrowellenbereich, insbesondere im Millimeter-Wellenlängenbereich durchzuführen, indem aufeinander folgende Messwerte bzw. aus Messungen gebildete diskrete Bezugswerte genommen und die differenziellen Änderungen betrachtet werden. Grundsätzlich kann der empfangene Wellenlängenbereich nur im Mikrowellenbereich oder auch nur im Radiowellenbereich liegen, oder sich auch über beide Wellenlängenbereiche erstrecken. Im folgenden wird das von der Antenne ausgegebene Signal in sämtlichen Fällen immer als Mikrowellensignal bezeichnet.The invention is based on the idea of a radiometric measurement of the temperature radiation tion in the radio wave range and / or microwave range, in particular in the millimeter wavelength range, by taking successive measured values or discrete reference values formed from measurements and considering the differential changes. In principle, the received wavelength range can only be in the microwave range or even only in the radio wave range, or extend over both wavelength ranges. In the following, the signal output from the antenna will always be referred to as a microwave signal in all cases.
Erfindungsgemäß werden somit Änderungen in der gemessenen thermischen Rauschleistung detektiert. Die Rauschleistung hängt von der Temperatur der betrachteten Materialoberflächen und den Materialeigenschaften ab. Eine schnelle Änderung der gemessenen Rauschleistung kann somit erfindungsgemäß dem Auftreten neuer Objekte im Erfassungsbereich des Sensors oder aber sehr schnellen Temperaturänderungen zugeordnet werden. Durch die Detektion von Änderungen der Rauschtemperatur sind erfindungsgemäß keine aufwendigen Kalibrationsverfahren im Empfangszweig erforderlich.According to the invention thus changes in the measured thermal noise power detected. The noise power depends on the temperature the considered material surfaces and the material properties from. A fast change of the measured noise power can thus according to the invention the appearance of new Objects within the detection range of the sensor or very fast temperature changes be assigned. By detecting changes in the Noise temperature are inventively no consuming Calibration procedure required in the reception branch.
Die diskreten Bezugswerte können insbesondere durch Integration über vorgegebene Zeitintervalle gebildet werden. Dies erfolgt vorteilhafterweise nach einer Analog-Digital-Wandlung. Somit werden durch zeitliche Integration des Messsignals oder eines aus dem Messsignal gebildeten Signals Bezugswerte gebildet und auf relevante zeitliche Änderungen untersucht. Es ergibt sich eine differentielle Messung, die jeweiligen Ereignissen zugeordnet werden kann.The discrete reference values can in particular through integration over predetermined time intervals are formed. This is advantageously done after an analog-to-digital conversion. Thus, by temporal Integration of the measurement signal or one formed from the measurement signal Signal reference values formed and relevant changes over time examined. The result is a differential measurement, the respective Events can be assigned.
Hierbei kann die zeitliche Änderung aufeinander folgender Bezugswerte mit einem vorgegebenem Schwellwert verglichen werden, und bei Überschreiten des Schwellwerts auf eine signifikante Änderung sowie bei Unterschreiten des Schwellwertes auf eine nicht relevante Änderung erkannt werden.in this connection can the temporal change of successive reference values be compared with a predetermined threshold, and when exceeding the Threshold on a significant change as well as falling below of the threshold to a non-relevant change detected become.
Da erfindungsgemäß ein passives Verfahren ohne von einem Sender ausgesendete elektromagnetische Wellen durchgeführt wird, tritt keine EMVU-Problematik auf.There According to the invention, a passive method without a transmitted electromagnetic waves If no EMVU problem occurs.
Erfindungsgemäß kann eine Antenne mit einem geeigneten Antennendiagramm gewählt werden, um eine Spot-Messung eines relevanten Erfassungsbereichs zu ermöglichen. Weiterhin ist erfindungsgemäß kein Schalter im Empfangszweig für die Kalibration erforderlich. Somit wird die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung erhöht.According to the invention an antenna with a suitable antenna diagram selected become a spot measurement of a relevant coverage area to enable. Furthermore, according to the invention no Switch required in the reception branch for the calibration. Thus, the sensitivity of the invention Sensor device increases.
Erfindungsgemäß können hierbei insbesondere Kfz-Alarmanlagen, Gebäudealarmanlagen bzw. Überwachungssensoren oder Bewegungsmelder gebildet werden. Weiterhin können Schutzsensoren zur Verhinderung von Unfällen geschaffen werden, indem z. B. ein Benutzer oder ein Körperteil eines Benutzers in einem Gefährdungsbereich, z. B. vor dem Sägeblatt einer Kreissäge, erfasst wird. Erfindungsgemäß können auch Menschen oder Körperteile mit Kleidung oder Schutzkleidung, z. B. einem dickeren Handschuh, durch Messung der Rauschleistung der Radiowellen erfasst werden.According to the invention this particular car alarm systems, building alarm systems or monitoring sensors or motion detectors formed become. Furthermore, protection sensors can be used to prevent accidents are created by A user or a body part of a user in a hazardous area, z. B. in front of the saw blade of a circular saw detected becomes. According to the invention, humans can also or body parts with clothing or protective clothing, eg. B. a thicker glove, by measuring the noise power of the radio waves be recorded.
Weiterhin können erfindungsgemäß Kfz-Fußgängerschutz-Messungen, eine Umweltsensorik und ein Näherungssensor für Komfortverstellungen an Fahrzeugen ermöglicht werden.Farther can according to the invention vehicle pedestrian protection measurements, an environmental sensor and a proximity sensor for Comfort adjustments are made possible on vehicles.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of invention
Eine
radiometrische Sensoreinrichtung
Die
radiometrische Sensoreinrichtung
Die
Antenne
Die
Antenne
Das
Radiometer
Die
Ermittlungseinrichtung
In
dem digitalen Integrierer
Eine Temperatur TOBJ des Erfassungsbereichs
A temperature T OBJ of the detection area
Erfindungsgemäß kann
direkt das von dem Integrierer
Es
ergibt sich somit eine Folge diskreter Bezugswerte Tbi mit
i = 1, 2, 3, ... Eine Vergleichseinrichtung
In
der Vergleichseinrichtung
Ist
die Differenz ΔTbi, die der Temperaturänderung
im Erfassungsbereich
Somit
sind in dem zweiten Speicher
Hierbei
können die Ermittlungseinrichtung
Erfindungsgemäß können
in der Steuereinrichtung
Durch das erfindungsgemäße differenzielle Messprinzip werden Drifteffekte der erfindungsgemäßen Schaltung sowie auch zeitlich langsame Änderungen der Raumtemperatur im Erfassungsbereich, wie sie sich z. B. beim Ein- und Ausschalten von Heizkörpern oder durch Änderungen der Tagestemperatur ergeben, nicht erfasst. Es können jedoch schnelle Temperaturänderungen bzw. hinreichend große Temperaturunterschiede innerhalb der definierten Integrationszeit Δt erkannt werden.By the inventive differential Measuring principle are drift effects of the circuit according to the invention as well as temporally slow changes in room temperature in the detection area, as they are z. B. when turning on and off of radiators or by changes in the temperature of the day, not recorded. However, rapid temperature changes or sufficiently large temperature differences within the defined integration time Δt can be detected.
Hierbei werden Δt sowie auch die anderen Werte N und ΔTs an die jeweiligen Bedürfnisse der Anwendung angepasst.in this connection Δt as well as the other values N and ΔTs adapted to the particular needs of the application.
In
Um
möglichst große Integrationszeiten Δt
= 50 bis 200 ms kostengünstig durchführen zu können, wird
die Integration erfindungsgemäß vorteilhafterweise
digital umgesetzt. Um die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gemäß dem
Flussdiagramm der
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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