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Die Erfindung betrifft ein Temperaturüberwachungsverfahren für ein mit einem Energieeintrag beaufschlagtes Heizelement.
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Optische Messsysteme können zur Bestimmung von physikalischen Messgrößen wie z. B. der Länge eines Gegenstands genutzt werden. Bei einem optischen Messvorgang wird in der Regel eine vorhandene Objektszene durch eine Optik auf einen strahlungssensitiven Detektor abgebildet, wobei die Objektszene durch einen dreidimensionalen Raum mit unterschiedlichen Gegenständen gebildet wird. Häufig sind bei dem Messvorgang auch quantitative Aussagen gefordert, so dass die Abweichungen der Messwerte zu den physikalischen Größen der Messobjektszene möglichst gering sein sollten. Zur Bestimmung dieser Abweichungen ist eine Kalibrierung erforderlich, wobei insbesondere bei optischen Messverfahren unterschiedliche Parameter kalibriert werden können. Dazu zählen z. B. photometrische Größen sowie auch laterale und axiale Abstandsgrößen. Bei der Verwendung von Zeilen- bzw. Flächenkameras ergeben sich in der Regel viele Messwerte, die in einem eindimensionalen bzw. zweidimensionalen Array angeordnet sind. Mit den Zeilen- und Flächenkameras werden Teile der Objektszene erfasst und durch die einzelnen Pixel in diskrete Werte bezüglich des Ortes und der Intensität gewandelt. Insbesondere bei optischen Messverfahren zur Bestimmung von axialen Abstandsgrößen werden die erhaltenen Kamerasignale in der Regel noch durch einen Auswertealgorithmus weiterverarbeitet, wobei sich als Messergebnis beispielsweise auch Punkte in einem räumlichen Koordinatensystem ergeben können. Für eine Zuordnung der Messwerte zu den abgebildeten Gegenständen der Messobjektszene und zur Erfassung der dabei auftretenden Abweichungen sind Kalibriervorgänge erforderlich. Bei der Durchführung der Kalibrierung werden im Allgemeinen Kalibriergegenstände mit bekannten Eigenschaften verwendet. Falls das optische Messsystem zur Bestimmung von Längenangaben verwendet werden soll, sind die geometrischen Eigenschaften wie z. B. die Form, Position, Lage und Größe von auf den Kalibriergegenstand aufgebrachten Strukturen entscheidend. Die Ausbildung der Strukturen ist oftmals auf die Anwendung und Messaufgabe abgestimmt. Außerdem können die Kalibriergegenstände selbstleuchtend sein oder von einer zusätzlichen Strahlungsquelle beleuchtet werden. Falls Wärmebildkameras eingesetzt werden, ist bei der optischen Abbildung für einen ausreichenden Intensitätskontrast in dem entsprechenden elektromagnetischen Spektralbereich zu sorgen, damit die geometrischen Strukturen des Kalibriergegenstandes erfasst und ausgewertet werden können. Als Kalibriergegenstände werden z. B. für Wärmebildkameras deshalb häufig sogenannte Heiztargets bzw. beheizbare Referenztargets verwendet, bei denen eine lokal unterschiedliche Wärmeverteilung vorliegt und die im Bild für einen ausreichenden Kontrast sorgen. Als Kalibriergegenstände können beispielsweise auch elektrisch beheizbare Drähte eingesetzt werden, wobei dann an den Aufheizvorgang oftmals verschiedene Anforderungen gestellt werden, wie z. B. auch eine geringe Aufheizzeit, insbesondere durch Verwendung eines großen Heizstroms. Dies kann bei zu langem Anliegen des Heizstroms zu einer Zerstörung des Heiztargets führen. Darüber hinaus lassen sich allein durch die Heizzeit eventuelle thermische Vorbelastungen bei kurz aufeinander folgenden Aufheizphasen nur schwer berücksichtigen. Zur Begrenzung der maximalen Temperatur können Temperatursensoren vorgesehen sein, wodurch eine zeitliche Regelung ermöglich wird. Die Integration eines zusätzlichen Temperatursensors auf dem Heiztarget kann jedoch aufwändig sein und erfordert zusätzliche elektrische Schalt- und Regelkreise. Eine Steuerung über eine feste Heizzeit kann beispielsweise im Falle von über den Bildeindruck geregeltem Aufheizen zu einer zu frühzeitigen Abschaltung des Heizstroms führen. Da es sich bei dem Heiztarget um eine optische Komponente handelt, kann sich ein zusätzlicher Temperatursensor auf dem Kalibriergegenstand auch störend auf den optischen Strahlverlauf auswirken.
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Die
DE 10 2008 058 798 A1 betrifft eine Stereokameraeinrichtung mit wenigstens zwei justierten, zueinander in definiertem Abstand angeordneten und ausgerichteten Wärmebildkameras, welche mit einer Kalibriereinrichtung zu deren fortlaufenden automatischen Kalibrierung versehen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Temperaturüberwachungsverfahren der eingangs erwähnten Art bereit zu stellen, welches während des gesamten Heizvorgangs eine Zerstörung des Heiztargets, insbesondere ohne Einsatz eines Temperatursensors wirksam verhindert und bei welchem insbesondere eine kurze Aufheizzeit realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Temperaturüberwachungsverfahren für wenigstens ein mit einem Energieeintrag beaufschlagtes Heizelement, insbesondere zum Einsatz als Heiztarget bei der Kalibrierung wenigstens einer Wärmebildkamera, gelöst, mit wenigstens einem vorgebbaren oberen Temperaturgrenzwert und mit Zugriff auf ein Temperaturmodell für das Heizelement, welches Temperaturkennlinien für mehrere Starttemperaturen in Abhängigkeit von der Höhe und/oder der Dauer des beaufschlagten Energieeintrags für eine Aufheizphase und eine Abkühlphase des Heizelements umfasst, wobei die aktuelle Temperatur des Heizelements anhand des Temperaturmodells und durch eine vergangenheitsbezogene Betrachtung kontinuierlich ermittelt wird, wobei eine Abschaltung des Energieeintrags erfolgt, wenn die aktuelle Temperatur den Temperaturgrenzwert überschreitet und wobei der Energieeintrag wieder eingeschaltet wird, wenn die aktuelle Temperatur den Temperaturgrenzwert wieder unterschreitet.
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Das erfindungsgemäße Temperaturüberwachungsverfahren berücksichtigt die Höhe des Energieeintrags und die Aufheizzeit des Heizelements bzw. Heiztargets um eine automatische Begrenzung der Aufheizzeit zu realisieren, ohne dass dabei eine zu frühe Abschaltung erfolgt. Sonach kann in vorteilhafter Weise auch ein länger beheiztes Heizelement ohne Einsatz eines Temperatursensors bereitgestellt werden.
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Das Temperaturmodell kann numerisch, analytisch, experimentell oder aus Erfahrungswerten bestimmt werden.
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Als Energieeintrag kann ein vorzugsweise pulsweitenmodulierter Heizstrom verwendet werden. Dadurch ist das arithmetische Mittel von Heizstrom bzw. Heizleistung bei einer bekannten Versorgungsspannung dem Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signal im Wesentlichen proportional. Alternativ könnte beispielsweise auch eine Pulsfrequenzmodulation (Pulspositionsmodulation) eingesetzt werden.
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Für die vergangenheitsbezogene Betrachtung während der Aufheizphase können den Energieeintrag auf das Heizelement charakterisierende Werte in zeitlich äquidistanten Abständen aufsummiert werden. Dazu kann ein Tastverhältniswert des pulsweitenmodulierten Heizstroms während der Aufheizphase in zeitlichen, insbesondere äquidistanten, Abständen, insbesondere nach Art der Riemann'schen Zwischensummen aufsummiert werden. Durch eine derartige Linearisierung kann in vorteilhafter Weise eine rechenintensive Prozessorauslastung vermieden werden. Für die vergangenheitsbezogene Betrachtung während der Abkühlphase kann ein die Abkühlzeitkonstante des Heizelements berücksichtigender Wert in zeitlichen, insbesondere äquidistanten, Abständen subtrahiert werden.
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Überschreitet die Summe einen konfigurierbaren Grenzwert, z. B. die maximal zulässige statische Heiztemperatur des Heizelements, schaltet die Elektronik softwaregesteuert den Heizkreis auch in der Aufheizphase automatisch ab. Danach wird die Abkühlzeitkonstante des Heizelements durch Subtraktion eines entsprechenden Wertes berücksichtigt. Bei Unterschreiten des Grenzwertes wird der Heizkreis wieder mit der aktuell anliegenden Heizleistung reaktiviert. Sonach kann sich ähnlich wie bei einem Zweipunktregler ein thermisches Gleichgewicht um den festgelegten Grenzwert einstellen. Mittels der vorstehend genannten Subtraktion des Abkühlzeitkonstantenwertes wird die Restwärme automatisch berücksichtigt.
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Bei der Bestimmung der aktuellen Temperatur kann eine Interpolation durchgeführt werden.
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In dem Temperaturmodell kann eine Energieabstrahlung des Heizelements berücksichtigt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben.
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Es zeigen:
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1 ein vereinfachtes Schaubild eines pulsweitenmodulierten Signals eines Heizstroms;
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2 ein vereinfachtes Schaubild von Temperaturkennlinien eines Temperaturmodells für ein Heizelement in der Aufheizphase;
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3 ein vereinfachtes Schaubild von Temperaturkennlinien eines Temperaturmodells für ein Heizelement in der Abkühlphase; und
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4 eine schematische Darstellung einer Stereokameraeinrichtung mit zwei Wärmebildkameras.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird wenigstens eine Wärmebildkamera 103a, 103b (siehe 4) vorausgesetzt, wobei die Kamera bzw. die Kameras z. B. auch in einem optischen Messsystem implementiert sein können und beispielsweise als Zeilen- oder Flächenkameras ausgebildet sein können. Eine derartige Wärmebildkamera 103a, 103b kann mittels eines Heiztargets 108 als Heizelement kalibriert werden.
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1 zeigt ein Schaubild eines Energieeintrags in das Heiztarget 109, wobei das Schaubild entlang der Zeitachse in feste Zeitabschnitte bzw. Periodendauern D eingeteilt ist. Der Parameter P kann der Heizstrom, die Heizleistung oder eine andere zum Energieeintrag des Heiztargets 109 korrelierte Größe sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiele wird als Energieeintrag ein vorzugsweise pulsweitenmodulierter Heizstrom verwendet. Innerhalb der Periodendauer D, die als die Differenz aus t(n+1)–tn definiert ist, ergibt sich eine Zeitspanne W als Pulsweite, in welcher der Parameter P geschaltet also aktiv ist, so dass während der Pulsweite W beispielsweise ein Heizstrom fließt. Die Periodendauer D kann auch zeitlich diskretisiert sein, d. h. die einzelnen Pulsweiten W liegen z. B. als 8 bit Werte vor. Der Quotient W/D wird als Tastverhältnis bezeichnet. Wie aus 1 ersichtlich, ist der Parameter P konstant (konstanter Heizstrom bzw. Versorgungsspannung) es gibt jedoch Periodendauern D, in denen der Parameter P null beträgt. Durch eine sogenannte Pulsweitenmodulierung, wobei die Pulsweite W bei fester Periodendauer D variiert wird, ist eine Steuerung des Energieeintrags in das Heiztarget 109 möglich. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen könnte diese Steuerung alternativ oder zusätzlich auch durch eine Änderung des Parameters P erfolgen.
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In 2 ist ein Schaubild mit mehreren unterschiedlichen Temperaturkennlinien 1 bzw. Temperatur-Zeit-Verläufe eines Temperaturmodells für die Aufheizphase dargestellt, wobei anstelle der Kennlinien auch eine Look-up-Tabelle oder dergleichen hinterlegt sein kann, die hier jedoch nicht dargestellt ist. Bei den gezeigten Kurven 1 wird jeweils das Tastverhältnis variiert. In dem Schaubild ist horizontal die Zeit und vertikal die Temperatur aufgetragen. Die maximal zulässige statische Heiztemperatur ist durch die gestrichelte Linie 2 angedeutet.
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3 zeigt hingegen Temperaturkennlinien 3 für die Abkühlphase nach Aufheizen mit den entsprechenden Tastverhältnissen auf ca. 80°C bzw. 100°C und anschließendem Abkühlen bei ausgeschaltetem Energieeintrag.
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Falls innerhalb einer Periodendauer D eine Pulsweite W und ein Parameterwert P von jeweils größer null vorliegt und die Periodendauer D wesentlich höher ist als eine Abkühlzeitkonstante des Heiztargets, so erfolgt in der gesamten Periodendauer D ein Heizvorgang und es sind die Temperatur-Zeit-Kurven 1 für die Heizphase beispielsweise aus der 2 zu verwenden. Eine effektive Abkühlung innerhalb einer ganzen Periodendauer D tritt dann auf, wenn die Temperatur des Heizelements über der Umgebungstemperatur liegt und die Wirkung der Abkühlung größer ist als der Energieeintrag bzw. wenn gilt: (1 – W/D)·Abkühlzeitkonstante > (W/D)·Energieeintrag. In diesem Fall sind die Abkühlkurven 3 aus 3 für die Berechnung der zum Ende der jeweiligen Periodendauer vorliegenden Temperatur zu verwenden.
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Die in den 2 und 3 dargestellten Schaubilder können beispielsweise durch Experimente, Tabellenwerte oder durch eine Modellierung der Heiz- und Abkühlphasen bestimmt werden. Es sollte stets eine Abhängigkeit von dem Tastverhältnis W/D oder der Pulsweite W gegeben sein. Die Variation des Parameters P ist optional, da z. B. stets der gleiche Heizstrom durch das Heiztarget fließen kann und damit der Wert P innerhalb der Pulsweite W konstant ist. Das Temperaturmodell wird sonach numerisch, analytisch, experimentell oder aus Erfahrungswerten bestimmt.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Temperaturüberwachungsverfahren für das mit einem Energieeintrag beaufschlagte Heizelement zum Einsatz als Heiztarget 109 bei der Kalibrierung wenigstens einer Wärmebildkamera 103a, 103b, eingesetzt, mit dem vorgebbaren oberen Temperaturgrenzwert 2 und mit Zugriff auf das Temperaturmodell für das Heiztarget 109, welches die Temperaturkennlinien 1, 3 für mehrere Starttemperaturen in Abhängigkeit von der Höhe und/oder der Dauer des beaufschlagten Energieeintrags für eine Aufheizphase und eine Abkühlphase des Heizelements umfasst, wobei die aktuelle Temperatur des Heiztarget 109 anhand des Temperaturmodells und durch eine vergangenheitsbezogene Betrachtung kontinuierlich ermittelt wird, wobei eine Abschaltung des Energieeintrags erfolgt, wenn die aktuelle Temperatur den Temperaturgrenzwert 2 überschreitet und wobei der Energieeintrag wieder eingeschaltet wird, wenn die aktuelle Temperatur den Temperaturgrenzwert 2 wieder unterschreitet.
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Für die vergangenheitsbezogene Betrachtung während der Aufheizphase werden den Energieeintrag auf das Heiztarget 109 charakterisierende Werte in zeitlich äquidistanten Abständen aufsummiert und während der Abkühlphase wird ein die Abkühlzeitkonstante des Heiztarget 109 berücksichtigender Wert in zeitlich äquidistanten Abständen subtrahiert.
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Des Weiteren wird in dem Temperaturmodell eine Energieabstrahlung des Heiztarget 109 berücksichtigt.
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Zunächst wird von der ersten Aufheizphase ausgegangen, wobei die Umgebungstemperatur und insbesondere auch die Temperatur des Heiztargets 109 bekannt ist. Die anfangs auftretende Temperatur kann z. B. auch durch einen nicht dargestellten Temperatursensor, der sich in der Nähe des Heiztargets 109 befindet aber nicht auf diesem integriert ist, bestimmt werden. Bei der Heizung des Kalibriergegenstands kann beispielsweis ein hoher Heizstrom und eine große Pulsweite W gewählt werden, falls eine kurze Aufheizzeit gewünscht ist.
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Je nach gewähltem Tastverhältnis W/D liegt ein bestimmter Temperatur-Zeit-Verlauf vor, wobei sich dieser anhand der hinterlegten Temperaturkennlinie 1 entweder direkt ergibt oder beispielsweise aus einer Interpolation von Zwischenwerten hervorgehen kann. Verfügt man über eine ausreichende Rechenleistung, so kann aus den einzelnen Energieeinträgen (Heizleistung Pulsweite W) und den Abkühlphasen mittels e-Funktion die resultierende Temperatur des Heiztargets 109 jeweils zum Ende der Pulsweite W bzw. der Periodendauer D sehr genau bestimmt werden.
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Des weiteren ist es auch möglich, eine Timeout-Überwachung in die Steuerung zu integrieren, so dass bei einem Kommunikationsverlust ebenfalls eine Abschaltung oder Begrenzung der Energiezufuhr erfolgt.
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Darüber hinaus kann durch eine konfigurierbare Verzögerungszeit, beispielsweise zwischen 0 s und 255 s das Heiztarget 109 erst dann in den optischen Erfassungsbereich der Kamera oder der Kameras gebracht oder in den Strahlengang eingeschwenkt werden, falls eine bestimmte Temperatur oder Übertemperatur gegenüber der Umgebung oder ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Dazu kann die Verzögerungszeit so gewählt werden, dass bei voller Target-Ansteuerung, d. h. bei steilst möglichem Temperaturanstieg die signifikante Übertemperatur erreicht wird. Nach Ablauf der Verzögerungszeit, also nach Erreichen der Übertemperatur wird das Heiztarget 109 in den Strahlengang geschwenkt und die Ansteuerung des Heiztargets 109 dahingehend reduziert, dass sich ein thermisches Gleichgewicht des Heiztargets 109 einstellt. Bei einer Verzögerungszeit mit dem Wert 0 s wird eine laufende Wartezeit beendet und das Heiztarget 109 wird sofort eingeschwenkt. Dieser Vorgang kann z. B. durch eine Auswertung des Bildeindrucks durch eine mit den Kameras 103a, 103b verbundene Bildverarbeitungseinheit 107 (siehe 4) ausgelöst werden, wobei als Auslösekriterium nicht das Erreichen einer bestimmten Temperatur des Heiztargets 109 verwendet wird.
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4 zeigt eine Stereokameraeinrichtung 101 als Teil einer nicht näher dargestellten Überwachungsvorrichtung für Start- und Landebahnen und/oder Flugkorridore von Flughäfen mit einer stereoskopischen Erfassung von sich nähernden Vögeln 106 oder Vogelschwärmen, wobei Parameter wie Flughöhe, Flugrichtung, Fluggeschwindigkeit und Art/Größe der Vögel 106 oder der Vogelschwärme ermittelbar sind. Eine oder mehrere derartige Stereokameraeinrichtungen 101 sind im Bereich der Start- und Landebahnen und/oder der Flugkorridore angeordnet und weisen wenigstens zwei zueinander in definiertem und angepasstem Abstand angeordnete während der Aufnahme synchron laufende Wärmebildkameras 103a, 103b auf. Die Aufnahmezeitpunkte der Wärmebildkameras 103a, 103b sind wenigstens annähernd identisch und deren jeweilige Sehfelder 104a, 104b weisen einen überlappenden Bereich 105 auf. In dem überlappenden Bereich 105 wird als Objekt ein Vogel 6 erfasst. Die zwei Wärmebildkameras 103a, 103b sind zueinander justiert und kalibriert. Für die Wärmebildkameras 103a, 103b kommen sowohl Wärmebildbereiche wie LWIR, MWIR, VLWIR, FIR, als auch SWIR, NIR in Betracht.
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Die Stereokameraeinrichtung 101 weist die Bildverarbeitungseinrichtung 107 auf, welche zur Verarbeitung der mit den zwei Wärmebildkameras 103a, 103b aufgenommenen Bilddaten vorgesehen ist.
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Die Stereokameraeinrichtung 101 kann mit übergeordneten Systemen, insbesondere Flugsicherungssystemen kommunzieren. Die Stereokameraeinrichtung 101 arbeitet autonom. Die Informationen wie auch die Aufnahmen stehen somit außerhalb der einzelnen Station zur Verfügung. Hauptsächlich werden diese Daten der Flugsicherung übermittelt.
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Auf der Bildverarbeitungseinrichtung 107 der Stereokameraeinrichtung 1 läuft u. a. ein Überwachungsverfahren für Start- und Landebahnen und/oder Flugkorridore von Flughäfen ab, mit welchem sich nähernde Vögel 6 oder Vogelschwärme stereoskopisch mittels der Überwachungsvorrichtung bzw. der Stereokameraeinrichtung 1 erfasst werden, wobei Parameter wie Flughöhe, Flugrichtung, Fluggeschwindigkeit und Art/Größe der Vögel 6 oder der Vogelschwärme bzw. deren Schwarmdichte ermittelt werden. Die Parameter werden mittels einer Stereoauswertung bestimmt. Dabei werden durch die wenigstens zwei Blickwinkel auf den durch die wenigstens zwei Wärmebildkameras 103a, 103b der Stereokameraeinrichtung 101 aufgenommenen Bereich 105 absolute Raumpunkte der zu erfassenden Vögel 106 oder Vogelschwärme bestimmt. Die Fluggeschwindigkeit der Vögel 106 oder der Vogelschwärme wird durch eine Betrachtung über eine entsprechende Zeitspanne bestimmt. Auch Vögel 106 oder Vogelschwärme in größerer Entfernung können erfasst werden, wobei eine entsprechend längere Brennweite für die zwei Wärmebildkameras 103a, 103b verwendet wird. Zusätzlich können auch Flugobjekte wie Modellflugzeuge, Lenkdrachen oder dergleichen von der Stereokameraeinrichtung 101 erfasst werden (nicht dargestellt). Anhand der Parameter wird eine Bewertung durchgeführt und gegebenenfalls eine entsprechende Warnmeldung ausgegeben.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich, ist die Stereokameraeinrichtung 101 zur fortlaufenden automatischen Kalibrierung mit einem Referenzstrahlengang 108 (strichpunktiert angedeutet) und einem Heiztarget 109 mit einer Referenzstruktur versehen, mittels welchem ein Referenzbild auf die jeweilige Wärmebildkamera 103a, 103b abgebildet wird. Das erfindungsgemäße Temperaturüberwachungsverfahren kann beispielsweise auf der Bildverarbeitungseinrichtung 107 zur Überwachung des Heiztargets 109 eingesetzt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Heiztarget 109 von der Bildverarbeitungseinrichtung 107 angesteuert (gestrichelt angedeutet).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperaturkennlinien Aufheizphase
- 2
- maximal zulässige statische Heiztemperatur
- 3
- Temperaturkennlinien Abkühlphase
- 101
- Stereokameraeinrichtung
- 103a
- Wärmebildkamera
- 103b
- Wärmebildkamera
- 104a
- Sehfeld
- 104b
- Sehfeld
- 105
- überläppender Bereich
- 106
- Vogel
- 107
- Bildverarbeitungseinrichtung
- 108
- Referenzstrahlengang
- 109
- Heiztarget
- W
- Pulsweite
- D
- Periodendauer
- P
- Parameter
- T
- Temperatur
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008058798 A1 [0003]
