-
Die Erfindung betrifft eine Wärmebildkamera mit einer Verschlussvorrichtung, wie sie gattungsgemäß aus der
US 7,484,885 B1 bekannt ist.
-
In Wärmebildkameras ist es üblich, zur Bildkorrektur in regelmäßigen Abständen kurzzeitig in den Strahlengang eine den Strahlengang vollständig unterbrechende Fläche homogener Temperatur einzubringen. Hierfür werden elektromechanische Verschlussvorrichtungen verwendet, die insbesondere extrem schnell eine Zustandsänderung zwischen vollständig unterbrochenem und vollständig offenem Strahlengang ermöglichen.
-
Aus der
US 7,484,885 B1 ist eine Wärmebildkamera mit einer elektromechanischen Verschlussvorrichtung bekannt, mit der periodisch eine Verschlusskelle in den Strahlengang eingeschwenkt wird, um eine Temperaturreferenz zur Bildkorrektur zur Verfügung zu stellen. Die Verschlusskelle ist exzentrisch ummittelbar auf der Motorwelle eines Motors montiert und wird entsprechend ohne Übersetzung mit dem an der Motorwelle wirkenden Drehmoment zwischen zwei Endlagen hin und her gedreht. Dies führt zu hohen Beschleunigungsspitzen zu Beginn und am Ende des Bewegungsablaufes und folglich zu einem abrupten Anlaufen und Abbremsen und hohen Schwingungen der Verschlusskelle beim Erreichen der Endlagen.
-
Ein weiterer Nachteil der in der
US 7,484,885 B1 dargestellten Verschlussvorrichtung besteht darin, dass beim Anlaufen und Abbremsen im Motor ausgeprägte elektrische Stromspitzen entstehen, was insbesondere den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen erschwert.
-
In der Regel haben Baugruppen für derartige Einsatzbereiche die Zündschutzart „eigensicher”, d. h. selbst im Fehlerfall kann kein Zustand auftreten, der zum Zünden eines explosiven Gas-Luftgemisches führt. Üblicherweise wird das erreicht, indem man Strom und Spannung auf Werte begrenzt, mit denen bei Kurzschlüssen oder Schaltvorgängen nicht die nötige Zündenergie aufgebracht wird.
-
Begrenzt man die elektrische Leistung des Antriebs auf das zulässige Maß, verschlechtert sich jedoch das dynamische Verhalten, und die Verschlussvorrichtung wird langsamer. Die in Wärmebildkameras verwendeten hoch geöffneten Optiken erfordern relativ großflächige, schwere Verschlüsse, so dass sich mit diesem Antriebskonzept kaum schnelle Verschlussvorrichtungen realisieren lassen, die den Anforderungen des Explosionsschutzes genügen.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Wärmebildkamera mit einer elektromechanischen Verschlussvorrichtung mit einer verbesserten Kinematik der Verschlusskelle bereitzustellen, bei welcher die Verschlusskelle bei einer nur geringen maximalen elektrischen Leistungsaufnahme des Motors schnell und ohne hohe Beschleunigungsspitzen zwischen zwei Endlagen, in denen sich die Verschlusskelle entweder vollständig im Strahlengang oder vollständig außerhalb des Strahlengangs der Wärmebildkamera befindet, bewegt werden kann.
-
Die Erfindung soll nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierzu zeigen:
-
1a eine Prinzipanordnung einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung
-
1b die Prinzipanordnung gemäß 1 in den beiden Endlagen
-
2 ein erstes Ausführungsbeispiel in Drauf- und Seitenansicht
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Magneten und Anschlägen
-
1a zeigt eine Prinzipanordnung einer erfindungsgemäßen Wärmebildkamera 15, wobei die Darstellung der Übersichtlichkeit halber auf deren erfindungswesentliche Merkmale, gegeben durch die elektromechanische Verschlussvorrichtung, beschränkt ist.
-
Die Verschlussvorrichtung umfasst im Wesentlichen einen Motor 1 mit einer Motorwelle 2 und eine Kurbelschwinge mit Schubgelenk.
-
Die Kurbelschwinge besteht aus einer Kurbel 4 und einer Schwinge 6, wobei an der Schwinge 6 eine Verschlusskelle 3 ausgebildet ist.
-
Die Kurbel 4 sitzt auf der Motorwelle 2 und kann sowohl eine Kurbelstange mit einem an ihrem freien Ende ausgebildeten Kurbelzapfen 5 oder eine Kurbelscheibe mit einem exzentrisch angebrachten Kurbelzapfen 5 sein.
-
Die Schwinge 6 ist auf einer Schwenkachse 7, die zur Motorwelle 2 über ein Gestell 11 in einem festen Abstand angeordnet und parallel zu dieser ausgerichtet ist, drehbar gelagert und umschließt über ein Langloch 8, welches an einem ersten Ende der Schwinge 6 ausgebildet ist, ein Schubgelenk bildend den an der Kurbel 4 ausgebildeten Kurbelzapfen 5.
-
Eine von der Kurbel 4 ausgeführte Drehbewegung wird in eine Schwenkbewegung mit einem Schwenkwinkel β umgesetzt.
-
Der Schwenkwinkel β ist begrenzt durch Umkehrpunkte, in denen die Schwenkbewegung ihre Schwenkrichtung ändert. Über die Dimensionierung der Kurbelschwinge, nämlich die Abstände des Kurbelzapfens 5 zur Motorwelle 2, und der Schwenkachse 7 zur Motorwelle 2, sowie die Länge des Langloches 8, kann ein bestimmter Schwenkwinkel β verwirklicht werden.
-
Die Verschlussvorrichtung ist in der Wärmebildkamera 15 so angeordnet, dass die Verschlusskelle 3 in zwei ausgewählte Positionen gebracht werden kann.
-
In einer ersten Position (nachfolgend erste Endlage) soll sie den Strahlengang in der Wärmebildkamera 15 vollständig unterbrechen, und in einer zweiten Position (nachfolgend zweite Endlage) soll sie sich vollständig außerhalb des Strahlenganges befinden. Um das zu ermöglichen, wird die Verschlussvorrichtung so in die Wärmebildkamera 15 integriert, dass die Schwinge 6 in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang schwenkbar ist, und die Größe der Verschlusskelle 3 sowie die Schwinge 6 und der Schwenkwinkel β werden entsprechend dimensioniert.
-
Insbesondere aus kinematischen Gründen, aber auch aus Platzgründen, wird die Kurbelschwinge so dimensioniert, dass die zwei verschiedenen Endlagen der Verschlusskelle 3 dann eingenommen werden, wenn sich die Schwinge 6 an ihren Umkehrpunkten befindet. Das heißt, die maximal notwendige Lageveränderung der Verschlusskelle 3, zur Erfüllung ihrer Bestimmung, wird durch die maximal mögliche Lageveränderung, bestimmt durch die Umkehrpunkte der Schwinge 6, realisiert.
-
Die Kurbelschwinge kann als ein umlaufendes Getriebe ausgebildet sein, so dass die Kurbel 4 volle Umdrehungen durchführen kann, und die Motorwelle 2 bei Beibehaltung einer gleichen Drehrichtung des Motors 1 im Wechsel die beiden Winkelpositionen einnimmt, in denen sich die Verschlusskelle 3 jeweils in einer Endlage befindet, und die Schwinge 6 über den Schwenkwinkel β zwischen beiden Endlagen hin und her geschwenkt werden kann. Die Motorwelle 2 wird dabei um zwei verschieden große Drehwinkel α gedreht.
-
Die Kurbelschwinge kann auch als ein nicht umlaufendes Getriebe ausgebildet sein, so dass sie zwei Totpunktlagen aufweist, die als Endlagen genutzt werden, bzw. die Drehbewegung der Kurbel 4 ist durch Anschläge eingeschränkt. Die Drehrichtung des Motors 1 muss dann geändert werden, um die Verschlusskelle 3 von der einen Endlage in die andere Endlage zu schwenken. Es ist für die Kinematik der Verschlusskelle 3 von Vorteil, wenn jeweils von der Motorwelle 2 ein gleicher Drehwinkel α überstrichen wird.
-
Ein Anhalten in den Endlagen kann allein durch die Ansteuerung des Motors 1 bewirkt oder durch zusätzlich dämpfend wirkende Anschläge unterstützt werden, wie es in den Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.
-
Unabhängig davon, ob der Motor 1 die Drehrichtung ändert oder nicht, soll nachfolgend unter dem Drehwinkel α der größere Winkel verstanden werden, um den die Antriebsachse zwischen den beiden zwei Winkelpositionen gedreht werden muss, da sich hierfür die bessere Kinematik für die Verschlusskelle 3 ergibt.
-
Vorteilhaft wird der Drehwinkel α möglichst groß, z. B. größer 260° gewählt, wodurch sich die Änderung der Winkelgeschwindigkeit der Schwinge 6 über größere Winkelbereiche erstreckt und die Bewegung um die Endlagen gedämpfter wird.
-
In 1b ist die Prinzipanordnung der Verschlussvorrichtung in den beiden Endlagen dargestellt. Die Verschlusskelle 3 befindet sich jeweils dann in einer der beiden Endlagen, wenn die gedachten Abstandslinien zwischen dem Kurbelzapfen 5 und der Motorwelle 2 bzw. dem Kurbelzapfen 5 und der Schwenkachse 7 einen rechten Winkel miteinander einschließen.
-
Je kleiner der Abstand zwischen der Motorwelle 2 und der Schwenkachse 7 gewählt ist, desto größer werden der Drehwinkel α der Kurbel 4 und der Schwenkwinkel β der Schwinge 6.
-
Für die Dimensionierung der Verschlussvorrichtung sind der hierfür in der Wärmebildkamera 15 vorgesehene Platz und die Querschnittsgröße des Strahlenbündels in der Ebene, in der die Verschlusskelle 3 in den Strahlengang eingeschwenkt werden soll, entscheidend. Der Einfachheit halber soll nachfolgend davon ausgegangen werden, dass das Strahlenbündel einen kreisförmigen Strahlquerschnitt 9 aufweist und die Querschnittsgröße folglich durch einen Strahlbündeldurchmesser charakterisiert ist.
-
Die Verschlusskelle 3, die vorteilhaft rund ausgebildet ist, weist zwingend einen Durchmesser auf, der größer ist als der Strahlbündeldurchmesser, wodurch sichergestellt wird, dass die Verschlusskelle 3 bei bestimmungsgemäßer Anordnung der Verschlussvorrichtung in einer Wärmebildkamera 15 den Strahlengang beim Schwenken der Schwinge 6 über einen vorgegebenen Winkelbereich (nachfolgend Übergangswinkelbereich) um bzw. vor der ersten Endlage (Schwinge 6 durch eine Volllinie in 1b dargestellt) vollständig unterbricht.
-
Damit können Herstellungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen werden, bei einem Einschwingen der Verschlusskelle 3 in die Endlage gesichert werden, dass der Strahlengang vollständig unterbrochen bleibt und gegebenenfalls bei einem Durchdrehen der Verschlusskelle 3 über die erste Endlage, was bei einer umlaufenden Kurbel 4 möglich wäre, in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle 2 eine ausreichende Dauer der Strahlengangunterbrechung bewirkt werden.
-
Der Schwenkwinkel β muss in Abhängigkeit vom Durchmesser der Verschlusskelle 3 und dem Abstand der Verschlusskelle 3 von der Schwenkachse 7 so dimensioniert werden, dass sich die Verschlusskelle 3 in der zweiten Endlage (Schwinge 6 durch eine Strichlinie in 1b dargestellt) vollständig außerhalb des Strahlgangs befindet.
-
Nachfolgend wird die Verschlussvorrichtung in Funktion beschrieben.
-
Die Kurbelschwinge befindet sich im Ruhezustand, wobei die Verschlusskelle 3 in einer der Endlagen verharrt. Um die Verschlusskelle 3 aus dieser Endlage in die andere Endlage zu bewegen, wird durch den Motor 1 an der Motorwelle 2 ein Drehmoment erzeugt, welches während der Beschleunigung der Drehbewegung (positive Beschleunigung beim Anlaufen und negative Beschleunigung beim Abbremsen) das Gesamtträgheitsmoment der Kurbelschwinge, einschließlich der an der Schwinge 6 ausgebildeten Verschlusskelle 3, überwindet und die Verschlusskelle 3 innerhalb einer vorgegebenen Zeit zur anderen Endlage hin bewegt.
-
Durch das sich über den Drehwinkel α ändernde, nichtproportionale Übersetzungsverhältnis der Winkelgeschwindigkeit zwischen der Kurbel 4 und der Schwinge 6, bei dem die Winkelgeschwindigkeit der Schwinge 6 zu den Umkehrpunkten, sprich Endlagen, hin abnimmt und in den Endlagen Null ist, ist das Trägheitsmoment der Schwinge 6 im Vergleich zum Trägheitsmoment der Kurbel 4 während des Anlaufes und Abbremsens klein und hat einen nur sehr geringen Einfluss auf das aufzubringende Drehmoment, womit im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Verschlussvorrichtung ein geringeres Drehmoment aufzubringen ist. Es kann somit als Motor 1 ein Elektromotor kleinerer Leistung verwendet werden, und die Stabilitätsanforderungen an die Verschlussvorrichtung können vergleichsweise herabgesetzt werden, was auch eine Gewichtsverringerung ermöglicht.
-
Darüber hinaus wird die Verschlusskelle aus und in eine Endlage deutlich langsamer bewegt, was wiederum zur Verringerung der Einschwingamplitude und Verkürzung der Einschwingzeit in die Endlage führt und einen Aufprall an gegebenenfalls vorhandene Anschläge minimiert.
-
Da eine Kurbelschwinge mit einem Schubgelenk und ihre Funktionsweise auf dem Gebiet der Getriebetechnik bekannt ist, kann sich ein mit Wärmebildkameras vertrauter Fachmann, der grundsätzlich ein Physiker sein wird und dem die Verwendung einer solchen Kurbelschwinge für eine Verschlussvorrichtung einer Wärmebildkamera durch die vorliegende Erfindung nahegelegt wird, durch einen auf dem Gebiet der Getriebetechnik versierten Ingenieur beraten lassen, wie die Verschlussvorrichtung konstruktiv zu gestalten und zu dimensionieren ist, um sie für die vorgesehene Verwendung in einer Wärmebildkamera zu optimieren, um deren vorteilhafte Wirkung voll auszuschöpfen.
-
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung einer Wärmebildkamera 15 mit einer vorteilhaften Dimensionierung in Draufsicht und Seitenansicht gezeigt.
-
In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der maximale Schwenkwinkel β der Verschlusskelle 3 60°, der Abstand der Mitte der Verschlusskelle 3 von der Symmetrieebene 10 zwischen dem voll eingeschwenkten (erste Endlage) bzw. dem voll ausgeschwenkten Zustand (zweite Endlage) 8,3 mm, die Projektion des Abstands der Mitte der Verschlusskelle 3 von der Motorwelle 2 auf die Symmetrieebene 10 24,1 mm, der Abstand der Motorwelle 2 zur Schwenkachse 7 der Verschlusskelle 3 9,9 mm, der Abstand des Kurbelzapfens 5 zur Motorwelle 2 4,9 mm und der Abstand vom Kurbelzapfen 5 zur Schwenkachse 7 in voll eingeschwenktem Zustand 8,5 mm.
-
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung einer Wärmebildkamera 15, dargestellt in 3, weist zusätzlich zum ersten Ausführungsbeispiel zwei Magnete 13 und zwei Anschläge 14 auf, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Gestell 11 verbunden sind, welches das Gehäuse der Wärmebildkamera sein kann.
-
Die Magnete 13 halten die Verschlusskelle 3 (auch bei stromlosem Motor) in den Endlagen. Sie sind jeweils in Flucht und mit einem bestimmten Abstand zu dem Kurbelzapfen 5 angeordnet, wenn dieser sich in einer der Winkelpositionen befindet, wo die Verschlusskelle 3 sich in einer Endlage befindet. Der Kurbelzapfen 5 ist hier aus einem magnetisch empfindlichen Material, beispielsweise aus Weicheisen, so dass zwischen dem Kurbelzapfen 5 und den Magneten 13 eine Anziehungskraft entsteht, die umso größer ist, je näher sich der Kurbelzapfen 5 bei dem betreffenden Magneten 13 befindet.
-
Gegenüber der Verwendung einer Rückstellfeder besteht der Vorteil darin, dass die Haltekraft praktisch nur unmittelbar in den Endlagen wirkt, die Bewegung der Kurbel 4 im übrigen Drehbereich jedoch nicht behindert wird.
-
Ergänzend ist in diesem Ausführungsbeispiel für beide Drehrichtungen je ein dämpfender, mechanischer Anschlag 14 vorgesehen, der beispielsweise wenigstens teilweise aus einem Elastomer besteht. Zum Erreichen guter mechanischer Dämpfungseigenschaften kann das Elastomer mit Lufteinschlüssen versehen sein. Ein Beispiel hierfür ist das gemeinhin als „Moosgummi” bezeichnete Material. Die Federkraft der Anschläge 14 und die Magnetkraft der Magnete 13 wirken nicht unmittelbar auf die Verschlusskelle 3, sondern auf die Kurbel 4 bzw. den hieran ausgebildeten Kurbelzapfen 5 bzw. auf ein mit dem Motor 1 verbundenes Teil, so dass die Verschlusskelle 3 frei läuft.
-
Die Kurbel 4 kann bei diesem Ausführungsbeispiel unabhängig davon, ob die Kurbelschwinge als ein umlaufendes oder nichtumlaufendes Getriebe ausgebildet ist, nicht vollständig durchgedreht werden, sondern bewegt sich nur zwischen einer ersten Winkelposition, in welcher sich die Verschlusskelle 3 in der ersten Endlage befindet, und einer zweiten Winkelposition, in welcher sich die Verschlusskelle 3 in der zweiten Endlage befindet. In diesen Winkelpositionen befindet sich dann je einer der Magnete 13. Es kann auch nur ein Magnet 13 vorgesehen sein, der sich dann in der Winkelposition befindet, in der sich die Verschlusskelle 3 in der ersten Endlage befindet.
-
Die Kraftwirkung der Anschläge 14 ist der Rückstellkraft der Magneten 13 entgegengerichtet. Damit die Verschlusskelle 3 nicht zurückprallt und von den Magneten 13 in den Endlagen gehalten wird, ist eine wirkungsvolle Dämpfung nötig. Sie muss die mechanische Energie der Verschlusskelle 3 aufnehmen und abbauen, so dass diese in den Endlagen schnell zur Ruhe kommt.
-
Das wenigstens teilweise elastische Material wird daher so ausgewählt, dass seine Dämpfung im Verhältnis zu seiner elastischen Rückstellkraft und zur Haltekraft des Magneten stark genug ist, damit der Magnet die Kurbelschwinge nach der ersten Schwingungsamplitude in seinem Wirkungsbereich hält.
-
Die Verschlussvorrichtung kann auch nur mit den dämpfenden Anschlägen 14 oder mit Magneten 13 ausgestattet sein.
-
Anstelle eines geraden Langloches 8, wie in 1a gezeigt, kann die Schwinge 6 auch ein gekrümmtes Langloch 8 aufweisen, womit sich das Übersetzungsverhalten verändern lässt.
-
Insbesondere kann das Langloch 8 kreislinienförmig gekrümmt sein oder aber nur an seinen Enden eine kreislinienförmige Krümmung aufweisen. Die Krümmung kann zur Motorwelle 2 hin oder von ihr weg gestaltet sein, womit der Schwenkwinkel β der Schwinge 6 verändert werden kann, ohne dass die Kurbelschwinge ansonsten in ihrer Dimension verändert werden muss.
-
Eine erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung zeichnet sich durch ihr verhältnismäßig geringes effektives Trägheitsmoment aus, sodass mit einer nur geringen maximalen elektrischen Leistungsaufnahme des Motors 1, die insbesondere unter den zulässigen Werten des Explosionsschutzes liegt (z. B. 1,0...1,3 W; ATEX-Produktrichtlinie 94/9/EG, Gruppe II T4), innerhalb kurzer Zeit, d. h. insbesondere innerhalb der Dauer eines Videoframes, was z. B. 1/50 oder 1/60 Sekunde ist, die Verschlusskelle 3 in zwei verschiedene ausgewählte Endlagen gebracht werden kann. Dabei ist die mechanische Zeitkonstante kleiner als die eines Direktantriebs.
-
Die Verschlusskelle 3 beschreibt einen nahezu prellfreien, harmonischen Bewegungsablauf ohne Beschleunigungsspitzen.
-
Der Motor 1 muss keine oder eine nur geringe Haltekraft aufbringen, um die Verschlusskelle 3 in den Endlagen zu halten. Die Verschlussvorrichtung kann mit kleinen Abmaßen und geringem Gewicht vergegenständlicht werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Motor
- 2
- Motorwelle
- 3
- Verschlusskelle
- 4
- Kurbel
- 5
- Kurbelzapfen
- 6
- Schwinge
- 7
- Schwenkachse
- 8
- Langloch
- 9
- Strahlquerschnitt
- 10
- Symmetrieebene
- 11
- Gestell
- 12
- Kreisbahn des Kurbelzapfens
- 13
- Magnet
- 14
- Anschlag
- 15
- Wärmebildkamera
- α
- Drehwinkel der Kurbel
- β
- Schwenkwinkel der Schwinge
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 7484885 B1 [0001, 0003, 0004]
