DE102013017911A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung und Stabilisierung der Exaktheit von Infrarotkameras zur Temperaturmessung in Echtzeit - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Echtzeit-Kalibrierung und zur Verbesserung der Exaktheit und Messwertkonstanz einer Infrarotkamera, dadurch gekennzeichnet, – dass ein ortsfest im Messfeld der Infrarotkamera angeordneter Referenzstrahlers vorhanden ist – dass dessen Temperatur über ein hochgenaues physikalisches Kontakt-Messverfahren fortlaufend an einen Klein-Computer innerhalb und/oder außerhalb der Infrarotkamera übermittelt wird – dass dort ein spezielles Computerprogramm den durch das Kontakt-Messverfahren ermittelten genauen Messwert mit dem von der Infrarotkamera gemessenen Strahlungs-Temperaturwert des Referenzstrahlers vergleicht – dass das spezielle Computerprogramm permanent beide Temperaturwerte analysiert – dass das spezielle Computerprogramm fortlaufend und in Echtzeit eine Korrektur sämtlicher von der Infrarotkamera gemessener Strahlungs-Temperaturwerte veranlasst – dass der Korrekturfaktor der Differenz zwischen der im Kontakt-Messverfahren ermittelten genauen Temperatur des Referenzstrahlers und dem von der Infrarotkamera gemessenen Strahlungs-Temperaturwert des Referenzstrahlers entspricht – dass in Echtzeit alle Temperaturmesswerte der Infrarotkamera mit Hilfe des Korrekturfaktors auf den genauen Temperaturwert gesetzt werden
Description
- Hintergrund
- Dieser Patentantrag bezieht sich allgemein auf eine Steigerung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit von Temperaturmessungen beim Einsatz von Infrarotkameras. Er behandelt speziell eine fortlaufende Kalibrierung mithilfe einer externen Temperaturreferenz und mit Rückkopplung zu den Messwerten der Infrarotkamera.
- Zusammenfassung
- Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur fortlaufenden Überprüfung der Messgenauigkeit und zur Echtzeit-Messwertkorrektur von Infrarotkameras vorgeschlagen. Das vorgestellte Verfahren und die Vorrichtung gewährleisten eine fortwährende Messwertkorrektur durch einen Vergleich der Temperatur einer im Bildfeld der Infrarotkamera angeordneten Temperaturreferenz (Referenz-Schwarzstrahler mit eingebautem hochgenauem Thermofühler) mit der durch die Infrarotkamera gemessenen Temperatur des im Bildfeld sichtbaren Referenz-Schwarzstrahlers. Ein Softwareprogramm erkennt die genaue Position des Referenzstrahlers, berechnet die Differenz zwischen dem Referenzwert und dem unkorrigierten Messwert und korrigiert sofort sämtliche Temperaturangaben der Infrarotkamera. Durch eine Fixiervorrichtung wird sichergestellt, dass die externe Temperaturreferenz exakt dort positioniert ist, wo ihre Temperaturen von der Infrarotkamera an einer definierten Stelle ausgelesen werden.
- Problemstellung
- Bei vielen Temperaturmessungen, beispielsweise in der Medizin oder Veterinärmedizin, oder auch im Forschungs- und Entwicklungsbereich, kommt der Messgenauigkeit eine besondere Bedeutung zu. Bauartbedingt neigen jedoch insbesondere ungekühlte pixelbasierte Infrarotkameras häufig zu Abweichungen bei der Genauigkeit und vor allem zu thermischer Drift (fehlerhafter Messwertabweichung über die Zeit). Herstellerangaben zur Genauigkeit belaufen sich auf +/–2,0 des Messwertes oder +/–2,0°C, wobei der jeweils schlechtere Wert gilt.
- Der kamerainterne Kalibrierverschluss von ungekühlten Mikrobolometer-Infrarotkameras (NUC = Non Uniformity Correction) dient vor allem der periodischen Wiederherstellung der Uniformität der (oft in die Hunderttausende gehenden) Mess-Detektoren und kann die bei vielen Anwendungen geforderte Genauigkeit nicht zuverlässig genug sicherstellen. Besonders nachteilig ist dabei der Umstand, dass diese interne NUC-Kalibrierung in Zeitintervallen stattfindet, während der sich bereits eine Temperaturdrift einstellt. Die Zeitintervalle sind zudem in vielen Fällen nicht beeinflussbar und ereignen sich oft zum ungünstigen Zeitpunkt, z. B. während eines Links-Rechts-Vergleichs in der Medizin, und führen so zu fehlerhaften Messwerten, die zu Fehlinterpretationen und sogar zu Fehldiagnosen führen können.
- Stand der Technik
- Zu nennen sind die folgenden Patentschriften:
US 2013 0218500 A1 ; Durand A et al: Method for correcting the drift of an infrared radiation detector comprising an array of resistive imaging bolometers and device implementing such a method [1]
US 1999 5994701 ; Tsuchimoto K et al: Infrared sensor device with temperature correction function [2]
US 2012 0239330 ; Tremblay P et al: Radiometric calibration method for infrared detectors [3]
EP 2393281 A2 (auch veröffentlicht unterDE102010023170A1 ,EP2393281A3 ,US20110299826 ); Weisbach F: Wärmebildkamera und Verfahren zur Aufnahme und/oder Modifikation und Wiedergabe von Wärmebildern einer Szene und/oder eines Objektes; https://www.google.com/patents/EP2393281A2?cl=de [4]
DE102012201061 B4 ; Kossev I, Meyer T: Verfahren und Anordnung zur Kalibrierung eines Pyrometers; https://www.google.com/patents/DE102012201061B4?cl=en [5] - Die Druckschriften [1], [2] und [3] beziehen sich auf Korrekturverfahren von Infrarotkameras ohne Verwendung einer externen, dauerhaft im Sichtfeld der Infrarotkamera angeordneten Temperaturreferenz (Kalibrierstrahler). Druckschrift [4] beschäftigt sich mit der kamerainternen Kalibrierung und Wiederherstellung des Temperatur-Gleichklangs der Mess-Detektoren (NUC = Non Uniformity Correction). Druckschrift [5] beschreibt den Vorgang einer Überprüfung eines Kalibrierstrahlers, nicht jedoch einer Infrarotkamera, mit Hilfe einer externen Temperaturreferenz.
- Keine der ermittelten Druckschriften und Literaturangaben weist die Besonderheiten und Merkmale des in diesem Patenantrag vorgestellten Verfahrens einschließlich der Vorrichtungen auf. Die in Druckschrift [4] beschriebene und in den meisten Infrarotkameras eingebaute periodische interne Kalibrierung stellt keine befriedigende Lösung für das beschriebene Problem dar, da sie zum einen in unbestimmbaren Perioden arbeitet, zum anderen meist nicht die für kritische Anwendungen geforderte Genauigkeit gewährleisten kann.
- Die Erfindung und ihre Vorteile
- Gegenüber dem dargelegten Stand der Technik haben das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 und 13 eine Reihe von Vorteilen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung beruhen auf einem besonders vorteilhaften, vereinfachten und preisgünstigen Weg zur Korrektur der Messwerte von Infrarotkameras bereits während der Messung. Nachträgliche, fehleranfällige und aufwändige Korrekturen mit hohem Anteil an Handarbeit entfallen. Bereits vor der Speicherung der Messwerte der Infrarotkamera hat die Messwertkorrektur stattgefunden. Der späteren Auswertung liegen bereits die in Echtzeit korrigierten Messwerte von hoher Exaktheit und Wiederholkonstanz zugrunde.
- Die Auslegung der Eigentemperatur des Referenzstrahlers ist entweder passiv (nimmt die Umgebungstemperatur an) oder aktiv (kann durch eine externe Heiz- oder Kühlquelle temperiert werden). Zu jedem Zeitpunkt wird die genaue Temperatur des Referenzstrahlers durch einen eingebauten Hochpräzisions-Thermofühler ermittelt und über einen kalibrierten Messumformung an einen Rechner (entweder innerhalb einer Infrarotkamera oder mit einer Infrarotkamera verbunden) übergeben. Damit ist die fortlaufende Echtzeit-Korrektur der Messwerte der Infrarotkamera gewährleistet. Das vorgestellte Verfahren und die vorgestellte Vorrichtung basieren auf sich selbst steuernden, rückgekoppelten Funktions- und Regelkreisen.
- Bei vielen Temperaturmessungen mit Hilfe von Infrarotkameras sind Vergleichsmessungen in bestimmten zeitlichen Abständen erforderlich, z. B. in der Human- oder Tiermedizin (Rechts-Links-Vergleiche der Temperaturmuster, unmittelbare Reaktionen auf Impfungen oder andere Injektionen). Hierzu reichen die Exaktheit und die Messwert-Stabilität aktueller Infrarotkameras meist nicht aus, weil diesen Kameras ein Temperatur-Offset (Mangel an Exaktheit) eigen ist, der auch noch in kurzen Zeitintervallen schwanken kann (thermischer Drift).
- Medizinische Anwendungen wie therapeutischer Energieeintrag in den Körper (im Rahmen von Hyperthermie-Behandlungen) oder oberflächliche thermische Behandlungen (Laser, Plasma, Kryoverfahren) können zu kritischen Hauttemperaturen (Verbrennungen oder Unterkühlungen/Erfrierungen) führen. Wird eine Infrarotkamera zur Überwachung solcher therapeutischer Verfahren und zur frühzeitigen Erkennung von Verbrennungs- oder Erfrierungsgefahren der Haut eingesetzt, muss die Exaktheit dieser Infrarotkamera bis zum Maximum mit den vorhandenen technischen Mitteln gesteigert werden. Die bisherigen technologischen Verfahren wie die in Druckschrift [4] beschriebene periodische kamerainterne Korrektur können diese Genauigkeit nicht gewährleisten.
- Der besondere Vorzug des in dieser Patentschrift beschriebenen Verfahrens und der vorgestellten Vorrichtung besteht darin, dass damit die beiden beschriebenen elementaren und bisher nicht gelösten Probleme (Genauigkeit der Temperaturmessung und Stabilität dieser Genauigkeit über die Zeit) gelöst werden.
- 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
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- US 20130218500 A1 [0005]
- US 19995994701 [0005]
- US 20120239330 [0005]
- EP 2393281 A2 [0005]
- DE 102010023170 A1 [0005]
- EP 2393281 [0005]
- US 20110299826 [0005]
- DE 102012201061 B4 [0005]
Claims (13)
- Verfahren zur Echtzeit-Kalibrierung und zur Verbesserung der Exaktheit und Messwertkonstanz einer Infrarotkamera, dadurch gekennzeichnet, – dass ein ortsfest im Messfeld der Infrarotkamera angeordneter Referenzstrahlers vorhanden ist – dass dessen Temperatur über ein hochgenaues physikalisches Kontakt-Messverfahren fortlaufend an einen Klein-Computer innerhalb und/oder außerhalb der Infrarotkamera übermittelt wird – dass dort ein spezielles Computerprogramm den durch das Kontakt-Messverfahren ermittelten genauen Messwert mit dem von der Infrarotkamera gemessenen Strahlungs-Temperaturwert des Referenzstrahlers vergleicht – dass das spezielle Computerprogramm permanent beide Temperaturwerte analysiert – dass das spezielle Computerprogramm fortlaufend und in Echtzeit eine Korrektur sämtlicher von der Infrarotkamera gemessener Strahlungs-Temperaturwerte veranlasst – dass der Korrekturfaktor der Differenz zwischen der im Kontakt-Messverfahren ermittelten genauen Temperatur des Referenzstrahlers und dem von der Infrarotkamera gemessenen Strahlungs-Temperaturwert des Referenzstrahlers entspricht – dass in Echtzeit alle Temperaturmesswerte der Infrarotkamera mit Hilfe des Korrekturfaktors auf den genauen Temperaturwert gesetzt werden
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass im Blickfeld einer Infrarotkamera ein ortsfester geschwärzter Körper mit einer Emissivität von 0,98 (+/–0,02) angeordnet wird – dass dieser geschwärzte Körper eine variable Temperatur aufweist. Dies ist entweder die Raumtemperatur oder eine kältere oder wärmere Temperatur
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Temperatur des geschwärzten Körpers stufenlos und/oder abgestuft mittels einer Regelvorrichtung eingestellt werden kann
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass dieser geschwärzte Körper in einem Abstand zum Objektiv der Infrarotkamera angeordnet wird, der in etwa dem Abstand des von der Infrarotkamera aufgenommenen Objektes entspricht
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – der geschwärzte Körper fest und wärmeleitend mit einem Präzisions-Kontakt-Thermofühler verbunden ist
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Messwert des Präzisions-Kontakt-Thermofühlers die genaue Temperatur des geschwärzten Körpers aufnimmt und über eine Datenverbindung an einen Messumformer liefert
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass der Messumformer die genauen Temperaturdaten des geschwärzten Körpers über eine weitere Datenverbindung zu einem Klein-Computer (innerhalb und/oder außerhalb der Infrarotkamera) weiterleitet
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, – dass ein spezielles Computerprogramm in dem Klein-Computer die genaue sekundenaktuelle Temperatur des geschwärzten Körpers aufnimmt und zur weiteren Bearbeitung bereithält – dass über einen an den Klein-Computer angeschlossenen Monitor das Bild der Infrarotkamera, aufbauend auf ihren aktuellen Messwerten, in Echtzeit betrachtet werden kann
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass dem ortsfesten geschwärzten Körper ein definiertes Areal innerhalb des Bildes der Infrarotkamera zugewiesen wird
- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass die von der Infrarotkamera angezeigte Temperatur in dem dem ortsfesten geschwärzten Körper zugewiesenen Areal von dem speziellen Computerprogramm ermittelt wird – dass das spezielle Computerprogramm die Differenz zwischen dem durch das Kontakt-Messverfahren ermittelten genauen Messwert und dem von der Infrarotkamera gemessenen Strahlungs-Temperaturwert des Areals des geschwärzten Körpers errechnet
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, – dass das spezielle Computerprogramm einen Korrekturfaktor aus der Differenz der beiden in Anspruch 10 beschriebenen Messwerte festsetzt – dass das spezielle Computerprogramm diesen Korrekturfaktor auf alle Messwerte der Infrarotkamera anwendet
- Vorrichtung zur freien räumlichen Anordnung eines ortsfesten geschwärzten Körpers mit dem Ziel der Erfassung seiner Infrarotabstrahlung im freien Strahlengang einer Infrarotkamera zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, – dass eine feste und/oder in variablen Positionen fixierbare Halterung eine für ein jeweiliges Aufnahmeset ortsfeste Verbindung zwischen einer messenden Infrarotkamera und einem geschwärzten Körper mit einem eingebauten Präzisions-Kontakt-Thermofühler sicherstellt – dass eine verdrahtete und/oder drahtlose Datenverbindung zwischen dem geschwärzten Körper mit einem eingebauten Präzisions-Kontakt-Thermofühler und einem hochgenauen Messumformer besteht – dass eine verdrahtete und/oder drahtlose Datenverbindung zwischen dem hochgenauen Messumformer und einem Klein-Computer innerhalb und/oder außerhalb der messenden Infrarotkamera besteht – dass eine Anzeigemöglichkeit auf einem Computermonitor besteht
- Vorrichtung nach Anspruch 12 zur Erwärmung oder Kühlung des ortsfesten geschwärzten Körpers zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Kontaktvorrichtung mit wärmenden oder kühlenden Eigenschaften auf der der Infrarotkamera abwandten Seite des ortsfesten geschwärzten Körpers aufgebracht wird – dass über eine Steuerung und ein Kabel diese Kontaktvorrichtung mit wärmenden oder kühlenden Eigenschaften geregelt werden kann – dass sich über diese Regelung stufenlos und/oder abgestuft bestimmte Temperaturwerte des ortsfesten geschwärzten Körpers einstellen lassen
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