DE102015122452A1

DE102015122452A1 - Verfahren und System zur berührungslosen Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102015122452A1
Application number: DE102015122452.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Bodo FORG
Original assignee: Robert Bosch GmbH; HEIMANN Sensor GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; HEIMANN Sensor GmbH
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017108230A1

Abstract

Ein Infrarot-Messsystem zur berührungslosen Ermittlung der Temperatur eines Objekts umfasst einen Infrarot-Sensor zur Abtastung einer auftreffenden Infrarot-Strahlung, einen Temperatursensor zur Abtastung einer Temperatur des Infrarot-Messsystems und eine Verarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines Messverfahrens. Ein Messverfahren umfasst Schritte des Bestimmens der auf den Infrarot-Sensor treffenden Infrarot-Strahlung; des Bestimmens einer Temperatur des Infrarot-Messsystems; des Bestimmens der Temperatur des Objekts auf der Basis der bestimmten Strahlung und der bestimmten Temperatur des Infrarot-Messsystems, und des zeitabhängigen Korrigierens der bestimmten Temperatur des Infrarot-Messsystems, um den Einfluss einer Temperaturverteilung im Infrarot-Messsystem zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine berührungslose Temperaturmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Temperaturmessung mittels Infrarot-Strahlung.
Stand der Technik
Eine Wärmebildkamera ist dazu eingerichtet, eine Temperaturverteilung an einem Objekt zu visualisieren und Temperaturen des Objekts ortsaufgelöst radiometrisch zu messen. Dazu umfasst die Wärmebildkamera einen Infrarot-Sensor, der insbesondere als Siliziumsensor, vorzugsweise in der Bauform FPA (Focal Plane Array), ausgeführt sein kann. Der Infrarot-Sensor umfasst eine Matrix von Messzellen, die in Abhängigkeit einer eintreffenden Infrarot-Strahlung jeweils ein Signal abgeben können. Eine Infrarot-Optik, die beispielsweise eine Linse, eine Blende, einen Verschluss oder einen Linsenhalter umfassen kann, sorgt für eine korrekte Abbildung der Infrarot-Strahlung, die von dem Objekt ausgeht, auf der Matrix des Infrarot-Sensors. Die Elemente der Optik weisen ihrerseits eine gewisse Temperatur auf und strahlen daher Infrarot-Licht auf den Infrarot-Sensor. Das durch den Sensor bestimmte Signal repräsentiert eine Überlagerung des vom Objekt ausgehenden Nutzsignals mit dem von der Optik ausgehenden Störsignal. Um das Nutzsignal zu rekonstruieren, wird versucht, das Störsignal möglichst genau zu bestimmen.
Das Störsignal kann beispielsweise mittels des Infrarot-Sensors gemessen werden, wenn das Nutzsignal mittels eines mechanischen Verschlusses, eines sogenannten Shutters, vom Infrarot-Sensor abgeschirmt wird. Als mechanisches Element ist der Shutter jedoch potentiell kostenintensiv und fehleranfällig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur berührungslosen Temperaturmessung anzugeben, die ohne einen Shutter auskommt. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Ein Infrarot-Messsystem zur berührungslosen Ermittlung der Temperatur eines Objekts umfasst einen Infrarot-Sensor zur Abtastung einer auftreffenden Infrarot-Strahlung, einen Temperatursensor zur Abtastung einer Temperatur des Infrarot-Messsystems und eine Verarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines Messverfahrens. Ein Messverfahren umfasst zumindest Schritte des Bestimmens der auf den Infrarot-Sensor treffenden Infrarot-Strahlung; des Bestimmens einer Temperatur des Infrarot-Messsystems; des Bestimmens der Temperatur des Objekts auf der Basis der bestimmten Strahlung und der bestimmten Temperatur des Infrarot-Messsystems, und des zeitabhängigen Korrigierens der bestimmten Temperatur des Infrarot-Messsystems, um den Einfluss einer Temperaturverteilung im Infrarot-Messsystem zu kompensieren.
Unter einer Abtastung ist eine einzelne Messung zu verstehen, also ein Vorgang, bei dem einmalig eine zu messende Größe quantifiziert wird. Die Abtastung der Temperatur des Infrarot-Messsystems liefert beispielsweise einen numerischen Wert der Temperatur des Messsystems, der auf einen einzelnen Abtastzeitpunkt bezogen ist.
Ein Störsignal, das durch Elemente des Infrarot-Messsystems auf den Infrarot-Sensor wirken kann, ist typischerweise mit der Temperatur des Infrarot-Messsystems eng korreliert. Dies gilt jedoch nur, wenn sich das Infrarot-Messsystem in einem thermisch eingeschwungenen Zustand befindet, das heißt, dass sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat, sodass die einzelnen Komponenten des Infrarot-Messsystems ihre Temperaturen nicht mehr weiter ändern, beispielsweise durch Wärmeleitung. Unterschiedliche Elemente des Infrarot-Messsystems können auch im eingeschwungenen Zustand unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Es kann ca. 3 bis 5 Minuten dauern, bis ein Infrarot-Messsystem thermisch eingeschwungen ist. Der bis zum Einschwingen dem Messsignal überlagerte Fehler wird auch transienter Fehler genannt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass das thermische Einschwingen des Infrarot-Messsystems eine im Wesentlichen von der Zeit abhängige, inverse Exponentialfunktion (e-Funktion) umfasst, die die Stärke des Störsignals beschreibt. Durch Anwenden einer zeitabhängigen Korrektur der bestimmten Temperatur des Objekts kann der Einfluss einer insbesondere ungleichen Temperaturverteilung im Infrarot-Messsystem kompensiert werden. Ein Infrarot-Messsystem kann dadurch schneller einsatzbereit sein bzw. nach seiner Inbetriebnahme eine Messung mit deutlich verringerten Fehlern ermöglichen.
Das Bestimmen der Temperatur des Objekts umfasst bevorzugterweise ein Kompensieren der bestimmten Strahlung um einen vom Infrarot-Messsystem ausgehenden Anteil. Das Kompensieren und ggf. das Umsetzen der bestimmten Infrarot-Strahlung in eine Temperatur des Objekts kann beispielsweise auf der Basis einer Wertetabelle erfolgen, die eine Temperatur des Objekts in Abhängigkeit der Temperatur des Infrarot-Messsystems und der bestimmten, auf den Infrarot-Sensor treffenden Infrarot-Strahlung bestimmt. In einer anderen Ausführungsform kann anstelle der Wertetabelle eine zweiparametrige Funktion vorgesehen sein, beispielsweise ein Polynom.
Allgemein gilt, dass bei einem Infrarot-Sensor mit einer Vielzahl Infrarot-sensibler Bereiche jeder Bereich einzeln auf die beschriebene Weise behandelt werden kann. Um Verarbeitungsaufwand zu sparen, können die einzelnen Bereiche auch anhand ihres Abstands einer optischen Mittelachse ähnlich behandelt werden. Wie unten noch genauer ausgeführt wird, ist auch eine individuelle Kalibrierung möglich.
In einer Ausführungsform wird die zeitabhängige Korrektur auf die bestimmte Infrarot-Strahlung angewandt. Das durch den Infrarot-Sensor bereitgestellte Signal kann also beispielsweise auf der Basis einer zeitabhängigen Funktion verstärkt oder abgeschwächt werden. Diese Korrektur kann einfach von einem Verarbeitungssystem durchgeführt werden.
In einer anderen Variante wird die zeitabhängige Korrektur auf die bestimmte Temperatur des Infrarot-Messsystems angewandt. Da die Kompensation in der oben genannten Ausführungsform von der Temperatur des Infrarot-Messsystems abhängig ist, kann durch das zeitabhängige Beeinflussen der bestimmten Temperatur des Infrarot-Messsystems eine vereinfachte Verarbeitung erzielt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die zeitabhängige Korrektur den thermischen Einfluss einer aktiven elektrischen Komponente des Infrarot-Messsystems. Die elektrische Komponente kann beispielsweise eine Verarbeitungseinrichtung umfassen, die insbesondere das beschriebene Verfahren oder Teile davon durchführt. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die elektrische Komponente den Infrarot-Sensor selbst. Auch andere elektrische Komponenten des Infrarot-Messsystems können betroffen sein, beispielsweise eine Beleuchtungs- oder eine Anzeigevorrichtung. Wird das Infrarot-Messsystem in Betrieb genommen, so wird die aktive elektrische Komponente üblicherweise eingeschaltet. Dadurch entsteht eine Störung des thermischen Gleichgewichts des Infrarot-Messsystems und die Wärme breitet sich in Abhängigkeit einer Zeit über die Komponenten des Infrarot-Messsystems aus. Ein programmierbarer Mikrocomputer kann beispielsweise eine thermische Verlustleistung von 2 bis 3 Watt aufweisen, was zu einem Temperaturunterschied zwischen zwei Elementen des Infrarot-Messsystems von ca. 5 bis 10 Kelvin führen kann. Die thermische Verlustleistung der aktiven Komponente kann auf die zeitabhängige Korrektur angewandt werden, um eine verbesserte Kompensation zu erzielen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden zeitabhängige Korrekturen für eine Aufwärmphase und eine Abkühlphase durchgeführt. In der Aufwärmphase wird ein Element des Infrarot-Messsystems über die Temperatur der restlichen Komponenten angehoben, sodass sich die restlichen Komponenten sukzessive erwärmen. In der Abkühlphase wird die Erwärmung zurückgenommen oder eines der Elemente des Infrarot-Messsystems wird unter eine Temperatur der restlichen Elemente abgesenkt, sodass diese ihre Temperatur allmählich ebenfalls absenken. In der letztgenannten Ausführungsform mit der aktiven elektrischen Komponente kann die Aufwärmphase bedeuten, dass die elektrische Komponente eingeschaltet ist, und die Abkühlphase, dass die elektrische Komponente ausgeschaltet ist.
Die zeitabhängigen Korrekturen für die Aufwärmphase und die Abkühlphase können unterschiedlich voneinander sein. Insbesondere können unterschiedliche zeitabhängige Funktionen für die beiden Korrekturen vorgesehen sein. Dauert eine Aufwärmphase oder eine Abkühlphase weniger lang als für das thermische Einschwingen des Infrarot-Messsystems erforderlich ist, so kann eine Zwischentemperatur bestimmt werden, um beim Anwenden der folgenden Korrektur darauf Rücksicht zu nehmen, dass noch kein thermisch eingeschwungener Zustand vorliegt. Dadurch kann eine verbesserte Korrektur von Fehlern, die durch das thermische Einschwingen des Infrarot-Messsystems herrühren, auch dann durchgeführt werden, wenn der thermische Einfluss auf eines der Elemente des Infrarot-Messsystems sich häufiger ändert als für das thermische Einschwingen des Infrarot-Messsystems erforderlich ist.
Die zeitabhängige Korrektur kann in unterschiedlichen Ausführungsformen in der Form eines Polynoms oder eines Kennfelds vorgegeben sein. Andere Ausdrucksformen sind ebenfalls möglich.
Das eingangs beschriebene Infrarot-Messsystem kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Dadurch kann ein Infrarot-Messsystem angegeben werden, das rasch verfügbar und im praktischen Einsatz vielfältig nutzbar ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 ein Infrarot-Messsystem;
2 Verläufe am Messsystem von 1
3 einen thermischen Einschwingvorgang am Infrarot-Messsystem von 1;
4 ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens für das Infrarot-Messsystem von 1 in einer ersten Ausführungsform;
5 ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens für das Infrarot-Messsystem von 1 in einer zweiten Ausführungsform;
6 einen durch intermittierende Erwärmung bewirkten Fehler des Infrarot-Messsystems von 1; und
7–9 Fehlerverläufe an einem beispielhaften Infrarot-Messsystem entsprechend dem von 1
darstellt.
Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein Infrarot-Messsystem 100, das beispielsweise zur Visualisierung von Temperaturen oder Temperaturverteilungen an einem Objekt 105 eingerichtet ist. Das Objekt 105 strahlt in Abhängigkeit seiner eigenen Temperatur Infrarot-Strahlung 110 ab, die vom Infrarot-Messsystem 100 detektiert werden kann. Dazu umfasst das Messsystem 100 einen Infrarot-Sensor 115. Üblicherweise umfasst das Messsystem 100 noch weitere Komponenten wie insbesondere eine Optik 120, die beispielsweise eine Linse, eine Blende, ein Halteelement oder einen Tubus umfassen kann. Diese Komponenten liegen im Gesichtsfeld des Infrarot-Sensors 115, sodass deren aufgrund von Eigenwärme erzeugte Infrarot-Störstrahlung 112 zusätzlich am Infrarot-Sensor 115 eintrifft. Um auf der Basis eines gemessenen Signals für am Infrarot-Sensor 115 eintreffende Infrarot-Strahlung 110, 112 eine Temperatur des Objekts 105 bestimmen zu können, kann der Einfluss der Störstrahlung 112 von der Optik 120 oder anderen Elementen im Gesichtsfeld des Infrarot-Sensors 115 in Abhängigkeit einer Temperatur im Infrarot-Messsystem 100 bestimmt werden. Dazu kann ein Temperatursensor 125 vorgesehen sein, der an unterschiedlichen Stellen des Infrarot-Messsystems 100 angebracht sein kann. Mittels einer Verarbeitungseinrichtung 130 kann ein durch die Infrarot-Störstrahlung 112 der Optik 120 bedingter Teil der am Infrarot-Sensor 115 erfassten Infrarot-Strahlung 110, 112 isoliert werden und die Temperatur des Objekts 105 kann auf der Basis des Signals des Infrarot-Sensors 115 bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Infrarot-Sensor 115 und die Verarbeitungseinrichtung 130 miteinander integriert ausgeführt. Die beiden Komponenten können insbesondere auf einem gemeinsamen Chip liegen oder in einem gemeinsamen Chip-Gehäuse angeordnet sein.
Das Messsystem 100 umfasst üblicherweise eine Vielzahl einzelner Infrarotsensibler Bereiche auf dem Infrarot-Sensor 115, die insbesondere matrixförmig angeordnet sein können. Dadurch kann insbesondere in Verbindung mit der Infrarot-Optik 120 ein örtlich aufgelöster Bereich des Objekts 105 in einer Vielzahl von Einzelmessungen in seiner Temperatur bestimmt werden. Beispielsweise kann der Infrarot-Sensor 115 eine Matrix von 80 Zeilen und 60 Spalten umfassen.
Die beschriebene Kompensation der von der Optik 120 ausgehenden Infrarot-Störstrahlung 112 ist jedoch üblicherweise erst dann eindeutig von der Temperatur eines Elements des Infrarot-Messsystems 100 abhängig, wenn sich das Infrarot-Messsystem 100 in einem thermisch eingeschwungenen Zustand befindet. Wird das Infrarot-Messsystem 100 an einer Komponente erwärmt, so pflanzt sich diese Wärme über die Zeit durch das Messsystem 100 fort, bis der thermisch eingeschwungene Zustand wieder erreicht ist.
2 verdeutlicht diesen Zusammenhang anhand von Verläufen 200 am Messsystem 100 von 1. Im oberen Bereich ist ein erster Verlauf 205 gezeigt, der einen unkompensierten Zusammenhang zwischen der für das Objekt 105 bestimmten Temperatur über die Zeit im Vergleich zu einer tatsächlichen Temperatur 210 darstellt. In vertikaler Richtung ist eine Temperatur und in horizontaler Richtung eine Zeit angetragen.
In einem unteren Bereich von 2 ist ein zweiter Verlauf 215 angetragen, der eine zeitabhängige Korrektur der bestimmten Temperatur des Objekts 105 angibt. In horizontaler Richtung ist eine Zeit und in vertikaler Richtung eine Korrektur angetragen.
Der erste Verlauf 205, dessen Abstand zur tatsächlichen Temperatur 210 des Objekts 105 einen Fehlerterm darstellt, klingt nach Art einer inversen Exponentialfunktion ab. Dabei wird eine Zeitkonstante verwendet, die üblicherweise tau (τ) genannt wird und deren Betrag von der Bauart des Infrarot-Messsystems 100 abhängig ist. Es wird davon ausgegangen, dass der Fehlerterm zu ca. 90 % abgeklungen ist, wenn eine Zeit verstrichen ist, die etwa 3τ entspricht.
Die Korrektur 215 ist auf der Basis einer Exponentialfunktion modelliert, um den oben beschriebenen Fehlerterm möglichst genau zu korrigieren, wenn die Verläufe 205 und 215 zusammenaddiert werden. Die auf der Basis des Modells bestimmte Korrektur 215 gibt an, welcher Wert von der bestimmten Temperatur zu subtrahieren ist, um den Effekt der Infrarot-Störstrahlung 112 möglichst zu kompensieren.
3 zeigt einen thermischen Einschwingvorgang am Infrarot-Messsystem 100 von 1. Auf der linken Seite sind oben und unten zwei Darstellungen des Infrarot-Sensors 115 und eines Halteelements 305 dargestellt, mit dem der Infrarot-Sensor 115 mit den restlichen Komponenten des Infrarot-Messsystems 100 verbunden ist. Im rechten Bereich von 3 sind zu den jeweils dargestellten Ausführungsformen korrespondierende zeitliche Verläufe von Temperaturen der Infrarot-Sensoren 115 bzw. der eingebetteten Temperatursensoren 125 dargestellt.
In der oben dargestellten Ausführungsform ist ein dünner Isolator 310 zwischen dem Infrarot-Sensor 115 und dem Halteelement 305 gewählt, der einen geringen Wärmewiderstand aufweist. In der unten dargestellten Ausführungsform ist ein dickerer Isolator 310 verwendet, der einen größeren Wärmewiderstand aufweist.
Wird das Infrarot-Messsystem 100 in Betrieb genommen, so beginnt die Verarbeitungseinrichtung 130 eine vorbestimmte elektrische Leistung in Wärme umzusetzen. Diese Abwärme erreicht den Infrarot-Sensor 115 über den Isolator 310. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmewiderstände erwärmt sich der Infrarot-Sensor 115 in der oben dargestellten Ausführungsform schneller als der in der unten dargestellten Ausführungsform, wie die zugeordneten Aufwärmkurven zeigen.
Ist die Steilheit der rechts dargestellten Aufwärmkurve bekannt, so kann die Korrektur des Messfehlers während der Dauer eines thermischen Einschwingvorgangs des Infrarot-Messsystems 100 verbessert bestimmt werden. Die Steilheit der Aufwärmkurve kann durch die Zeitkonstante τ ausgedrückt werden; ihre Form folgt im Wesentlichen einer inversen Exponentialfunktion.
Das genaue Verhalten des Infrarot-Messsystems 100 während eines thermischen Einschwingvorgangs kann auf unterschiedliche Weisen modelliert werden.
In einer ersten Alternative wird das Systemverhalten einmal charakterisiert und als gültig für eine größere Anzahl von Geräten angenommen. Dazu können eine oder mehrere Aufwärmkurven wie die von 3 unter bekannten Bedingungen an einem repräsentativen Infrarot-Messsystem 100 jeweils in Abhängigkeit der Zeit bestimmt werden. Dann wird auf der Basis der Aufwärmkurven der zeitabhängige Fehler bestimmt, um ihn zur Kompensation an einer Vielzahl baugleicher Infrarot-Messsysteme 100 verwenden zu können. Neben der Zeit kann das Systemverhalten auch noch von weiteren Parametern abhängen, beispielsweise von einer Eigentemperatur des Infrarot-Messsystems 100. Die Eigentemperatur kann beispielsweise mittels eines weiteren Temperatursensors 125 bestimmt werden, der vom Infrarot-Sensor 115 und/oder der Verarbeitungseinrichtung 130 entfernt sein kann. In noch einer weiteren Ausführungsform können auch die für den Messfehler ursächlichen Größen bestimmt werden. Beispielsweise könnten Temperatursensoren 125 an verschiedenen Positionen im Infrarot-Messsystem 100 angebracht werden und aus den erfassten Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen kann auf die Systemfunktion geschlossen werden.
In einer zweiten Alternative wird das gerätespezifische Verhalten des Infrarot-Messsystems 100 während einer Kalibrierung individuell ermittelt. Bei der Serienproduktion von Infrarot-Messsystemen 100 können gerätespezifische Variationen des zeitabhängigen Fehlers entstehen, beispielsweise wegen geometrischer Toleranzen von Bauelementen, die Variationen in thermischen Übergangswiderständen des Messsystems 100 hervorrufen. Deshalb können sich baugleiche Messsysteme 100 bezüglich ihrer Systemverhalten voneinander unterscheiden. Jedes Infrarot-Messsystem 100 kann individuell kalibriert werden, um den individuellen zeitabhängigen Fehler verbessert zu beschreiben. Die grundsätzliche Vorgehensweise hierfür kann insbesondere der von Alternative 1 entsprechen, allerdings erfolgt keine Übertragung eines bestimmten Systemverhaltens von einem System 100 auf ein anderes.
In einer dritten Alternative wird von einem allgemeinen Systemverhalten wie dem von Alternative 1 ausgegangen, zusätzlich erfolgt jedoch eine gerätespezifische Anpassung (Kalibrierung) des bestimmten Systemverhaltens. Die Kalibrierung erfolgt bevorzugterweise im Rahmen der Herstellung des Systems 100 einmalig, kann aber auch periodisch oder ereignisgesteuert durchgeführt oder erneuert werden. Um einen Aufwand für die Kalibrierung im Rahmen einer Serienfertigung von Infrarot-Messsystemen 100 zu verkleinern kann eine vereinfachte Kalibrierung durchgeführt werden, indem beispielsweise eine gegenüber der ersten Alternative verringerte Anzahl von Parametern zur Ermittlung des Systemverhaltens variiert werden. Alternativ kann auch ein kürzerer Beobachtungszeitraum oder eine andere Vereinfachung angewandt werden.
Alternativ oder ergänzend zu den vorgenannten Alternativen kann in einer vierten Alternative das gerätespezifische Systemverhalten des Infrarot-Messsystems 100 nicht nur im Rahmen einer Herstellung, sondern auch während eines Betriebs des Infrarot-Messsystems 100 ermittelt werden. Hierzu kann beispielsweise über weitere Temperatursensoren 125 im Infrarot-Messsystem 100 der Temperaturgradient bzw. die Aufwärmkurve während des Einschaltens des Infrarot-Messsystems 100 ermittelt werden und aus einem Vergleich, beispielsweise bezüglich eines Absolutwerts oder einer Phasenlage, auf das Systemverhalten geschlossen werden.
Weiterhin wäre es denkbar, aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur des Infrarot-Sensors 115 auf die Systemfunktion zu schließen, die hauptsächlich durch den Wärmeübergangswiderstand des Isolators 310 definiert ist. Dieser Ansatz kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Verarbeitungseinrichtung 130 als Wärmequelle und der Infrarot-Sensor 115 als Sensorelement auf dem gleichen Halbleitermaterial angeordnet sind. Dieses Kalibrierungsprinzip kann auch auf weitere Sensoren übertragen werden, die im Infrarot-Messsystem 100 vorhanden sind.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Messverfahrens 400 für das Infrarot-Messsystem 100 von 1 in einer ersten Ausführungsform. Das Verfahren 400 ist insbesondere zum Ablaufen auf der Verarbeitungseinrichtung 130 eingerichtet und führt eine Bestimmung der Temperatur des Objekts 105 mittels Berechnung oder Verarbeitung von abgetasteten Messwerten auf der Basis eines mathematischen Modells durch.
In einem ersten Schritt 405 wird eine Systemtemperatur des Infrarot-Messsystems 100 abgetastet. Dies kann auf der Basis von Messungen eines oder mehrerer Temperatursensoren 125 erfolgen. In einem optionalen Schritt 410 wird die abgetastete Systemtemperatur kalibriert, das heißt, es erfolgt eine Korrektur der abgetasteten Systemtemperatur auf der Basis von Kalibrierungswerten, die insbesondere individuell für das Infrarot-Messsystem 100 bestimmt sein können.
In einem Schritt 415 wird das Signal des Infrarot-Sensors 115 in Abhängigkeit der auf ihn treffenden Infrarot-Strahlung 110, 112 abgetastet. In einem optionalen Schritt 420 kann wieder eine Kalibrierung erfolgen, die im Wesentlichen so ausgeführt sein kann wie oben mit Bezug auf den Schritt 410 beschrieben ist.
In der dargestellten Ausführungsform wird das abgetastete – und ggf. kalibrierte – Infrarot-Signal in einem Schritt 425 zeitabhängig korrigiert. Die zeitabhängige Korrektur 425 bestimmt sich aus dem Systemverhalten, das oben mit Bezug auf 3 genauer beschrieben wurde.
Auf der Basis des korrigierten Infrarot-Signals und der abgetasteten Systemtemperatur wird dann in einem Schritt 430 eine Temperatur des Objekts 105 bestimmt. Dazu kann insbesondere ein Kennfeld, hier in Form einer zweidimensionalen Tabelle, verwendet werden. In einer Ausführungsform, in der der Infrarot-Sensor 115 eine Vielzahl Infrarot-empfindlicher Bereiche aufweist, kann jedem Bereich oder jeder Gruppe von mehreren Bereichen ein eigenes Kennfeld zugeordnet sein.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Messverfahrens 400 von 4 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 4 dargestellten Ausführungsform wird hier die zeitabhängige Korrektur im Schritt 425 auf die abgetastete Systemtemperatur und nicht auf das abgetastete Infrarot-Strahlungssignal appliziert. Die restliche Verarbeitung entspricht jedoch den oben beschriebenen Schritten.
Die zeitabhängige Korrektur in den Schritten 425 kann auf der Basis einer relativen Zeitbasis erfolgen, die insbesondere seit dem letzten Einschalten der Verarbeitungseinrichtung 130 bestimmt sein kann. Dazu können insbesondere Taktsignale einer konstanten Taktbasis gezählt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Zeit auf der Basis einer absoluten Zeitbasis (Real Time Clock, RTC) bestimmt werden, die auch dann weiterläuft, wenn die Verarbeitungseinrichtung 130 ausgeschaltet ist. In noch einer weiteren Ausführungsform wird die Zeit indirekt bestimmt, indem die Zeit aus einer Temperatur einer Komponente des Infrarot-Messsystems 100, insbesondere des Infrarot-Sensors 115, absolut oder relativ beispielsweise zu einer Umgebung, bestimmt wird. Zur Analyse seiner Eigentemperatur kann ein eigenes Subsystem im Messsystem 100 vorgesehen sein. Dessen Abtastungen können verwendet werden, um den Zeitpunkt des Einschaltens des Messsystems 100 zu bestimmen, sodass auf diese Weise eine Zeitbasis bzw. ein Zeitabgleich verfügbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein intermittierender Betrieb des Infrarot-Messsystems 100 berücksichtigt werden. Die Fehlertemperatur, also der Korrekturwert im Schritt 420 des Verfahrens 400, kann nicht nur von einer relativen Einschaltzeit der Verarbeitungseinrichtung 130 abhängig sein, sondern zusätzlich auch davon, wie lange das Infrarot-Messsystem 100 nach einer davor liegenden Einschaltzeit auskühlen konnte.
6 zeigt den entsprechenden Zusammenhang. In vertikaler Richtung ist ein Temperaturfehler, also die Abweichung zwischen der tatsächlichen und der bestimmten Temperatur, und in horizontaler Richtung eine Zeit angetragen. Dieser Wert wird auch Fehlertemperatur oder T_err genannt. Zu einem Zeitpunkt t₀, in dem es sich im thermischen Gleichgewicht befindet, wird das Infrarot-Messsystem 100 eingeschaltet. Zur Korrektur der bestimmten Temperaturen um den Effekt des thermisch noch nicht eingeschwungenen Systems 100 wird ein initialer Korrekturwert 605, der bis zu einem folgenden Zeitpunkt t₁ nach einer inversen Exponentialfunktion abfällt, auf die bestimmten Temperaturen appliziert. Es wird davon ausgegangen, dass sich das Infrarot-Messsystem 100 nach dem Einschalten erwärmt, sodass die Phase zwischen t₀ und t₁ hier auch Aufwärmphase 615 genannt wird.
Zum Zeitpunkt t₁ wird das Infrarot-Messsystem 100 ausgeschaltet, woraufhin es sich bis zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t₂ einem anderen thermischen Gleichgewicht annähert. Diese bis zum Zeitpunkt t₃ andauernde Phase wird vorliegend Abkühlphase 620 genannt.
Dieses Gleichgewicht erreicht das Infrarot-Messsystem 100 jedoch nicht, weil es vorher zu einem Zeitpunkt t₂ wieder eingeschaltet wird. Die zum Zeitpunkt t₂ zu applizierende Fehlertemperatur T_err ist wegen des nur teilweisen Einschwingens jedoch nicht so groß wie der initiale Korrekturwert 605. Stattdessen wird ein kleinerer Korrekturwert 610 appliziert wird, dessen Betrag davon abhängig ist, wie lang der Abkühlvorgang zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ war.
Weitere Ein- und Ausschaltphasen sind mit Bezug auf die Zeitpunkte t₃ und t₄ dargestellt.
7 zeigt Fehlertemperaturen an einem exemplarischen Infrarot-Messsystem 100. Im linken Bereich sind unkorrigierte Fehlertemperaturen und im rechten Bereich korrigierte Fehlertemperaturen dargestellt. Die jeweils oberen Darstellungen beziehen sich auf ungefilterte Messungen und die unteren Darstellungen zeigen gleitende Durchschnitte. Dabei wurden in jeder Darstellung eine Vielzahl Durchläufe zusammengefasst.
8 zeigt weitere Verläufe von Fehlertemperaturen an einem exemplarischen Infrarot-Messsystem 100. Es wird ausgegangen von einer matrixförmigen Anordnung einzelner Infrarot-sensitiver Bereiche auf dem Infrarot-Sensor 115. Beispielsweise kann eine Matrix mit 80 Zeilen und 60 Spalten, insgesamt also 4800 Infrarot-„Pixeln“, verwendet werden.
Im linken Bereich von 8 sind übereinander drei Darstellungen zeitlicher Verläufe von Fehlertemperaturen zu sehen. In der oberen Darstellung sind Fehlertemperaturen aller individuellen Bereiche der Matrix gemittelt dargestellt. In der mittleren Darstellung sind Fehlertemperaturen einer obersten Zeile Infrarot-sensitiver Bereiche und in der untersten Darstellung Fehlertemperaturen einer mittleren Reihe der Matrix dargestellt.
Im rechten Bereich von 8 ist der Fehler der bestimmten Temperatur des Objekts 105 im Verlauf über die Zeit dargestellt. In einer oberen Darstellung erfolgt keine zeitabhängige Korrektur, in einer unteren Darstellung ist eine zeitabhängige Korrektur entsprechend dem Schritt 425 in einer der Varianten des Verfahrens 400 vorgesehen. Die Fehlertemperaturen aller Infrarot-Pixel des Infrarot-Sensors 115 sind dabei gemittelt angenommen.
9 zeigt eine beispielhafte Korrektur einer Messung des Infrarot-Sensors 115 des Infrarot-Messsystems 100 von 1. Es wird jeweils nur ein Infrarot-sensitiver Bereich des Infrarot-Sensors 115 betrachtet.
Die Fehlerkompensation erfolgt gemäß folgender Formel:
Dabei bedeuten:

n: = Aufnahmenummer (bei konstanter Aufnahmerate)
C₀: = individueller Wert
C_τ: = individueller Wert

₀

_τ

100

Die Zeitabhängigkeit der Kompensation C wird dadurch modelliert, dass von einer konstanten Abtastrate ausgegangen wird, sodass in fest vorgegebenen zeitlichen Abständen einzelne Aufnahmen mittels des Infrarot-Sensors 115 erstellt werden.
Um zu beurteilen, wie die Fehlertemperaturen von der Lage des betrachteten Infrarot-empfindlichen Bereichs auf einer Matrix abhängt, sind in 9 in der oberen Darstellung der Wert C₀ und in der mittleren Darstellung der Wert C_τ der oben angegebenen Formel über eine Spaltennummer der Matrix dargestellt.
In der unteren Darstellung ist die bestimmte Fehlertemperatur C über die Aufnahmenummer angetragen.

Claims

Verfahren (400) zum berührungslosen Bestimmen der Temperatur eines Objekts (105) mittels eines Infrarot-Messsystems (100) mit einem Infrarot-Sensor (115), wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst: – Abtasten (415) der auf den Infrarot-Sensor (115) treffenden Infrarot-Strahlung (110, 112); – Abtasten (405) einer Temperatur des Infrarot-Messsystems (100); – Bestimmen (430) der Temperatur des Objekts (105) auf der Basis der abgetasteten Infrarot-Strahlung (110, 112) und der bestimmten Temperatur des Infrarot-Messsystems (100), dadurch gekennzeichnet, dass – eine zeitabhängige Korrektur (425) der bestimmten Temperatur des Objekts (105) erfolgt, um den Einfluss einer Temperaturverteilung im Infrarot-Messsystem (100) zu kompensieren.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen (430) der Temperatur des Objekts (105) ein Kompensieren der abgetasteten Infrarot-Strahlung (110, 112) um einen vom Infrarot-Messsystem (100) ausgehenden Anteil (112) umfasst.
Verfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zeitabhängige Korrektur (425) auf die bestimmte Infrarot-Strahlung (110, 112) angewandt wird.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zeitabhängige Korrektur (425) auf die bestimmte Temperatur des Infrarot-Messsystems (100) angewandt wird.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zeitabhängige Korrektur (425) den thermischen Einfluss einer aktiven elektrischen Komponente (115, 130) des Infrarot-Messsystems (100) umfasst.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zeitabhängige Korrekturen für (425) eine Aufwärmphase (615) und eine Abkühlphase (620) durchgeführt werden.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zeitabhängige Korrektur (425) auf der Basis mehrerer, an unterschiedlichen Stellen des Infrarot-Messsystems (100) bestimmten Temperaturen erfolgt.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zeitabhängige Korrektur (425) in Form eines Polynoms vorgegeben ist.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zeitabhängige Korrektur (425) in Form eines Kennfelds vorgegeben ist.
Infrarot-Messsystem (100) zur berührungslosen Ermittlung der Temperatur eines Objekts (105), wobei das System folgendes umfasst: – einen Infrarot-Sensor (115) zur Abtastung einer auftreffenden Infrarot-Strahlung (110, 112); – einen Temperatursensor (125) zur Abtastung einer Temperatur des Infrarot-Messsystems (100), und – eine Verarbeitungseinrichtung (130), die dazu eingerichtet ist, – die Temperatur des Objekts (105) auf der Basis der bestimmten Strahlung und der bestimmten Temperatur des Infrarot-Messsystems (100) zu bestimmen (430), und – die bestimmte Temperatur des Objekts (105) zeitabhängig zu korrigieren (425), um den Einfluss einer Temperaturverteilung im Infrarot-Messsystem (100) zu kompensieren.