DE102018210264A1 - Process for the contact-free determination of a temperature distribution as well as infrared measuring system - Google Patents
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Abstract
Das vorgeschlagene Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperaturverteilung einer Oberfläche (22) geht aus von einem Infrarot-Messsystem (10,10a), wobei das Infrarot-Messsystem (10,10a) zumindest ein Infrarot-Detektorarray (36) mit einer Mehrzahl von Messpixeln (62) aufweist, wobei die Messpixel (62) für Infrarotstrahlung empfindlich sind und jeweils ein Messsignal zur Ermittlung eines von einer Intensität der einfallenden Infrarotstrahlung abhängigen Temperaturmesswerts T bereitstellen. Erfindungsgemäß wird ein Temperaturmesswert Ti zumindest eines Messpixels i (62) der Mehrzahl von Messpixeln (62) um eine von Streustrahlung verursachte Temperaturmesswert-Komponente ΔTi korrigiert, die aus Temperaturmesswerten Tj von bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixeln j (62) berechnet wird.
Ferner wird ein mit dem Verfahren betriebenes Infrarot-Messsystem (10,10a) vorgeschlagen.
The proposed method for the contact-free determination of a temperature distribution of a surface (22) is based on an infrared measuring system (10, 10a), the infrared measuring system (10, 10a) having at least one infrared detector array (36) with a plurality of measuring pixels ( 62), the measurement pixels (62) being sensitive to infrared radiation and each providing a measurement signal for determining a temperature measurement value T which is dependent on an intensity of the incident infrared radiation. According to the invention, a temperature measurement value T i of at least one measurement pixel i (62) of the plurality of measurement pixels (62) is corrected by a temperature measurement value component ΔT i caused by scattered radiation, which is calculated from temperature measurement values T j of measurement pixels j (62) to be taken into account in the correction ,
An infrared measuring system (10, 10a) operated with the method is also proposed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperaturverteilung einer Oberfläche sowie ein entsprechendes Infrarot-Messsystem.The invention relates to a method for the contact-free determination of a temperature distribution of a surface and a corresponding infrared measurement system.
Stand der TechnikState of the art
Vorrichtungen und Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperatur einer Oberfläche, insbesondere zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperaturverteilung einer Oberfläche, sind im Stand der Technik bekannt und finden vielseitig Anwendung, beispielsweise zur Sicherheitsüberprüfung elektrischer Schaltungen, zur Fehlersuche in maschinellen Abläufen oder zur Identifikation unzureichender Wärmeisolation im Rahmen einer Wärme- und/oder Kältedämmung. Infrarot-Messsysteme weisen gegenüber konventionellen Temperaturmessgeräten den Vorteil des kontaktfreien und schnellen Messens auf und lassen sich insbesondere dann einsetzen, wenn zu vermessende Bereiche nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Die Temperaturmessung mittels eines infrarotsensitiven Thermometers basiert dabei auf Detektion von Wärmestrahlung, d.h. Infrarotstrahlung insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen 3 µm und 50 µm, die von jedem Gegenstand abhängig von seiner Temperatur, insbesondere seiner Oberflächentemperatur, mit unterschiedlicher Intensität emittiert wird (Anmerkung: in dieser Schrift sind die Begriffe „Infrarotstrahlung“ und „Wärmestrahlung“ als synonym zu verstehen). Aus einer mittels des Infrarot-Messsystems gemessenen Intensität der emittierten Wärmestrahlung kann eine Oberflächentemperatur des emittierenden Körpers bestimmt werden.Devices and methods for the contact-free determination of a temperature of a surface, in particular for the contact-free determination of a temperature distribution of a surface, are known in the prior art and are used in a variety of ways, for example for checking the safety of electrical circuits, for troubleshooting in mechanical processes or for identifying inadequate thermal insulation in the context of Thermal and / or cold insulation. Infrared measuring systems have the advantage of contactless and fast measuring compared to conventional temperature measuring devices and can be used in particular if areas to be measured are difficult or impossible to access. The temperature measurement using an infrared-sensitive thermometer is based on the detection of thermal radiation, i.e. Infrared radiation, in particular in a wavelength range between 3 µm and 50 µm, which is emitted by each object with different intensity depending on its temperature, in particular its surface temperature (note: in this document, the terms "infrared radiation" and "heat radiation" are to be understood as synonymous ). A surface temperature of the emitting body can be determined from an intensity of the emitted thermal radiation measured by means of the infrared measuring system.
Infrarot-Messsysteme in Form von sogenannten Wärmebildkameras weisen typischerweise einen infrarotsensitiven Bildsensor, ein Linsensystem sowie einen Bildschirm auf und erlauben, ähnlich einer im visuellen Spektralbereich arbeitenden Kamera, einen Gegenstand im infraroten Bereich des Strahlungsspektrums zu untersuchen und auf dem Bildschirm als zweidimensionales, farbkodiertes Abbild des Gegenstands auszugeben.
Infrarot-Messsysteme haben jeweils ein bestimmtes Sichtfeld, aus dem Infrarotstrahlung durch eine Linse auf ein Infrarot-Detektorarray des Infrarot-Messsystems abgebildet wird. Durch eine nicht vollständige Absorption der Infrarotstrahlung auf dem Bildsensor wird ein Teil der Infrarotstrahlung innerhalb des Gehäuses mehrfach reflektiert. Dieser Effekt kann für Infrarotstrahlung unabhängig vom Einfallswinkel beobachtet werden, aus dem die Infrarotstrahlung auf das Infrarot-Detektorarray fällt. Auf Grund dieser Mehrfachreflektion absorbiert ein bestimmtes Messpixel des Infrarot-Detektorarrays nicht nur Infrarotstrahlung, die direkt durch die Linse auf dieses Messpixel abgebildet wird, sondern auch Streustrahlung. Folglich hängt somit die von dem Infrarot-Messsystem ermittelte Temperatur eines jeden Messpixels auch von Streustrahlung ab, sodass es zu einer Art „Übersprechen“ zwischen Messpixeln kommt. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur Reduzierung von Streustrahlung etwaige optische Komponenten wie Linsen und Infrarot-Detektorarray des Infrarot-Messsystems mit einer Antireflexschicht zu beschichten. Zudem ist es üblich, die Innenflächen des Gehäuses zu schwärzen.Infrared measuring systems each have a specific field of view, from which infrared radiation is imaged through a lens onto an infrared detector array of the infrared measuring system. Due to incomplete absorption of the infrared radiation on the image sensor, part of the infrared radiation is reflected several times within the housing. This effect can be observed for infrared radiation regardless of the angle of incidence from which the infrared radiation falls on the infrared detector array. Due to this multiple reflection, a certain measuring pixel of the infrared detector array not only absorbs infrared radiation, which is imaged directly by the lens onto this measuring pixel, but also scattered radiation. Consequently, the temperature of each measurement pixel determined by the infrared measurement system also depends on scattered radiation, so that there is a kind of “crosstalk” between measurement pixels. It is known from the prior art to coat any optical components such as lenses and infrared detector arrays of the infrared measuring system with an antireflection layer in order to reduce scattered radiation. It is also common to blacken the inside surfaces of the housing.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das vorgeschlagene Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperaturverteilung einer Oberfläche geht aus von einem Infrarot-Messsystem mit zumindest einem Infrarot-Detektorarray, das eine Mehrzahl von Messpixeln aufweist, wobei die Messpixel für Infrarotstrahlung empfindlich sind und jeweils ein Messsignal zur Ermittlung eines von einer Intensität der einfallenden Infrarotstrahlung abhängigen Temperaturmesswerts T bereitstellen.The proposed method for the contact-free determination of a temperature distribution of a surface is based on an infrared measuring system with at least one infrared detector array, which has a plurality of measuring pixels, the measuring pixels being sensitive to infrared radiation and in each case a measuring signal for determining an incident intensity Provide infrared radiation-dependent temperature measurement value T.
Das Infrarot-Messsystem, insbesondere die handgehaltene Wärmebildkamera, ist dazu eingerichtet, aus einem Messbereich auf der Oberfläche abgestrahlte Infrarotstrahlung insbesondere berührungslos zu detektieren. Das Infrarot-Messsystem ist dazu vorgesehen, eine Information auszugeben, die eine Temperatur der Oberfläche betrifft. Diese Information kann vorteilhaft als eine oder mehrere Temperaturangaben oder als eine Temperaturverteilung, besonders vorteilhaft als ein aus einer Vielzahl von ortsaufgelöst ermittelten Temperaturangaben zusammengesetztes Wärmebild, realisiert sein.The infrared measuring system, in particular the hand-held thermal imaging camera, is set up to detect infrared radiation emitted from a measuring area on the surface, in particular without contact. The infrared measuring system is intended to output information relating to a temperature of the surface. This information can advantageously be implemented as one or more temperature specifications or as a temperature distribution, particularly advantageously as a thermal image composed of a plurality of temperature specifications determined in a spatially resolved manner.
Unter dem „Messbereich“ wird ein geometrischer, begrenzter Bereich verstanden, der eine Menge von Teilchen oder Bereichen des Gegenstands umfasst, deren Infrarotstrahlung den Gegenstand in Richtung des Infrarot-Messsystems verlässt und von diesem zumindest teilweise erfasst wird. Je nach Material des Gegenstands, insbesondere je nach Transparenz des Gegenstands für Infrarotstrahlung, können Teilchen oder Bereiche von dem Infrarot-Messsystem erfasst werden, die sich unterschiedlich weit in dem Gegenstand befinden. Insbesondere kann unter „Gegenstand“ neben einem Festkörper auch ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit und ein Gas verstanden werden, dessen Temperatur in analoger Weise vermessen werden kann. Zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung wird mit „Messbereich“ insbesondere der Bereich auf einer Gegenstandsoberfläche gekennzeichnet, der sich im Wesentlichen aus der Schnittmenge zwischen einem Messvolumen - das Volumen aus dem die erfindungsgemäße Vorrichtung Infrarotstrahlung erfasst - und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstands ergibt. Je nach Materialeigenschaft des Gegenstands kann dieser Messbereich aber auch Infrarotstrahlung aus tieferen Schichten des Gegenstands umfassen.The “measurement area” is understood to mean a geometrical, limited area which comprises a quantity of particles or areas of the object, the infrared radiation of which leaves the object in the direction of the infrared measurement system and is at least partially detected by it. Depending on the material of the object, in particular depending on the transparency of the object for infrared radiation, particles or areas that are located at different distances in the object can be detected by the infrared measuring system. In particular, in addition to a solid, “object” can also be understood to mean a fluid, in particular a liquid and a gas, the temperature of which can be measured in an analogous manner. To simplify the following description, “measuring range” is used in particular to denote the area on an object surface that essentially results from the intersection between a measuring volume. the volume from which the device according to the invention detects infrared radiation - and gives the surface of the object to be examined. Depending on the material properties of the object, this measuring range can also include infrared radiation from deeper layers of the object.
Das Infrarot-Messsystem, insbesondere die handgehaltene Wärmebildkamera, weist zumindest ein Infrarot-Detektorarray sowie eine Auswertevorrichtung auf. Ferner kann das Infrarot-Messsystem in einer Ausführungsform des Infrarot-Messsystems eine Optik, insbesondere eine abbildende Optik, aufweisen. Eine Optik ist dazu vorgesehen, aus dem Messbereich emittierte Infrarotstrahlung im Infrarotspektrum, vorzugsweise im mittleren Infrarotspektrum im Wellenlängenbereich zwischen 3 µm und 50 µm, auf eine Oberfläche des aus Sicht des Gegenstands hinter der Optik angeordneten Infrarot-Detektorarrays des Infrarot-Messsystems zu projizieren oder zu fokussieren. Eine Optik kann dazu Infrarotstrahlung lenkende, leitende, bündelnde und/oder anderweitig in der räumlichen Ausbreitung beeinflussende optische Komponenten aufweisen, beispielsweise Linsen, Spiegel oder dergleichen.The infrared measuring system, in particular the hand-held thermal imaging camera, has at least one infrared detector array and an evaluation device. Furthermore, in one embodiment of the infrared measuring system, the infrared measuring system can have an optical system, in particular an imaging optical system. Optics are provided for projecting or projecting infrared radiation emitted from the measuring range in the infrared spectrum, preferably in the middle infrared spectrum in the wavelength range between 3 µm and 50 µm, onto a surface of the infrared detector array of the infrared measuring system arranged behind the optics from the point of view of the object focus. For this purpose, an optical system can have optical components which direct, conduct, concentrate and / or otherwise influence the spatial distribution, for example lenses, mirrors or the like.
Unter „vorgesehen“ soll im Folgenden speziell „programmiert“, „ausgelegt“, „konzipiert“ und/oder „ausgestattet“ verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion „vorgesehen“ ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt oder dazu ausgelegt ist, die Funktion zu erfüllen.In the following, “intended” is to be understood specifically as “programmed”, “designed”, “designed” and / or “equipped”. The fact that an object is “provided” for a specific function should in particular be understood to mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state or is designed to fulfill the function.
Das Infrarot-Detektorarray dient der Erfassung von aus dem Messbereich abgestrahlter und auf die Oberfläche des Infrarot-Detektorarrays geleiteter Infrarotstrahlung. Das Infrarot-Detektorarray weist zumindest ein Detektorarray-Substrat sowie eine Mehrzahl von Messpixeln auf. In einer Ausführungsform des Infrarot-Messsystems ist das Infrarot-Detektorarray beispielsweise als ein Siliziumsensorchip realisiert, der als Detektorarray-Substrat Silizium aufweist.The infrared detector array is used to detect infrared radiation emitted from the measurement area and directed onto the surface of the infrared detector array. The infrared detector array has at least one detector array substrate and a plurality of measurement pixels. In one embodiment of the infrared measuring system, the infrared detector array is implemented, for example, as a silicon sensor chip which has silicon as the detector array substrate.
Die Messpixel sind jeweils an einer dem zu untersuchenden Gegenstand zugewandten Oberfläche des Detektorarray-Substrats angeordnet. Die Messpixel sind für aus dem Messbereich einfallende Infrarotstrahlung empfindlich, wobei jedes Messpixel ein infrarotstrahlungsempfindliches Element darstellt. Die Messpixel sind dazu vorgesehen, Strahlung aus dem Infrarotbereich, insbesondere dem mittleren Infrarotbereich im Wellenlängenbereich zwischen 3 µm und 50 µm, zu erfassen und in ein Messsignal, insbesondere ein elektrisches Messsignal, umzuwandeln. Beispiele für infrarotstrahlungsempfindliche Elemente sind unter anderem Fotodioden, Bolometer, pyroelektrische Sensoren, P/N-Dioden, PIN-Dioden, Avalanche Photo Dioden (APD), (modulierte) CCD-Chips und CMOS-Pixel, allerdings können auch andere, einem Fachmann sinnvoll erscheinende, beispielsweise auf Siliziumsensoren, Indium-Gallium-Arsenid-Sensoren, Bleisulfid-Sensoren, Indium-Antimon-Sensoren, Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Sensoren, Gallium-Arsenid-Quantentopf-Sensoren, Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Sensoren oder dergleichen basierende infrarotstrahlungsempfindliche Elemente verstanden werden. In einer Ausführungsform des Infrarot-Messsystems sind die Messpixel als P/N-Dioden oder Thermodioden realisiert. Diese Messpixel erwärmen sich jeweils in Folge einer Einstrahlung von Infrarotstrahlung, wobei sich auf Grund der Erwärmung eine elektrische Spannung des Messpixels gegenüber einem durch das Messpixel fließenden Strom ändert. Folglich verändert sich die über das jeweilige Messpixel abfallende Spannung. Über eine Erfassung der Messpixel-Spannung und/oder des Messpixelstroms kann auf diese Weise ein Messsignal bereitgestellt werden, dass mit der eingestrahlten Wärmeleistung der Infrarotstrahlung auf das jeweilige Messpixel korreliert. Somit stellen die Messpixel jeweils ein von einer Intensität der einfallenden Infrarotstrahlung abhängiges Messsignal zur Ermittlung eines ebenfalls von der Intensität der einfallenden Infrarotstrahlung abhängenden Temperaturmesswert T bereit. Jedes der Mehrzahl von Messpixeln ist mit der Auswertevorrichtung des Infrarot-Messsystems direkt oder indirekt über weitere zwischengeschaltete Bauelemente signaltechnisch verbindbar. Insbesondere kann eine indirekte signaltechnische Verbindung der Messpixel mit der Auswertevorrichtung auch über Schaltelemente, beispielsweise Multiplexer oder andere Selektionsschaltungen, die dazu ausgelegt sind, Messsignale mehrerer Messpixel selektiv weiterzuleiten, realisiert werden. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass Messsignale einzelner Messpixel oder einer Gruppe von Messpixeln unabhängig von Messsignalen anderer Messpixel an die Auswertevorrichtung weitergeleitetet und von dieser ausgewertet werden können. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Messsignale eines jeden Messpixels unabhängig voneinander bereitgestellt werden oder bereitgestellt werden können. Jedes von einem Messpixel bereitgestellte Messsignal kann oder wird zur Ermittlung eines Temperaturmesswerts T an die Auswertevorrichtung des Infrarot-Messsystems weitergeleitet, von der es einzeln und/oder in Kombination mit anderen Messsignalen anderer Messpixel auswertbar ist. Unter Verwendung einer (beliebigen) Mehrzahl von Messpixeln des Infrarot-Detektorarrays kann somit eine Mehrzahl von Temperaturmesswerten T ermittelt werden. Insbesondere kann auf diese Weise eine Bildinformation für ein Wärmebild aus jeweils von dem zu untersuchenden Objekt in einen Raumwinkel des Messbereichs emittierter Infrarotstrahlung ermittelt werden.The measurement pixels are each arranged on a surface of the detector array substrate facing the object to be examined. The measurement pixels are sensitive to infrared radiation incident from the measurement area, each measurement pixel representing an element sensitive to infrared radiation. The measurement pixels are intended to detect radiation from the infrared range, in particular the middle infrared range in the wavelength range between 3 μm and 50 μm, and to convert it into a measurement signal, in particular an electrical measurement signal. Examples of elements sensitive to infrared radiation include photodiodes, bolometers, pyroelectric sensors, P / N diodes, PIN diodes, avalanche photo diodes (APD), (modulated) CCD chips and CMOS pixels, but others can also be useful to a person skilled in the art appearing, for example based on silicon sensors, indium gallium arsenide sensors, lead sulfide sensors, indium antimony sensors, cadmium mercury telluride sensors, gallium arsenide quantum well sensors, cadmium mercury telluride sensors or the like Infrared radiation sensitive elements can be understood. In one embodiment of the infrared measuring system, the measuring pixels are implemented as P / N diodes or thermodiodes. These measurement pixels each heat up as a result of the irradiation of infrared radiation, an electrical voltage of the measurement pixel changing due to the heating compared to a current flowing through the measurement pixel. As a result, the voltage drop across the respective measurement pixel changes. By measuring the measurement pixel voltage and / or the measurement pixel current, a measurement signal can be provided in this way that correlates with the radiated heat output of the infrared radiation on the respective measurement pixel. Thus, the measurement pixels each provide a measurement signal that is dependent on an intensity of the incident infrared radiation for determining a temperature measurement value T that is also dependent on the intensity of the incident infrared radiation. Each of the plurality of measurement pixels can be connected to the evaluation device of the infrared measurement system directly or indirectly via further intermediate components. In particular, an indirect signal-technical connection of the measurement pixels to the evaluation device can also be implemented via switching elements, for example multiplexers or other selection circuits, which are designed to selectively transmit measurement signals from a plurality of measurement pixels. In this way it can be achieved in particular that measurement signals of individual measurement pixels or a group of measurement pixels can be forwarded to the evaluation device independently of measurement signals of other measurement pixels and can be evaluated by the latter. In particular, it should be pointed out that the respective measurement signals of each measurement pixel are or can be provided independently of one another. Each measurement signal provided by a measurement pixel can or is passed on to the evaluation device of the infrared measurement system for determining a temperature measurement value T, from which it can be evaluated individually and / or in combination with other measurement signals of other measurement pixels. A plurality of temperature measurement values T can thus be determined using an (arbitrary) plurality of measurement pixels of the infrared detector array. In particular, image information for a thermal image can be determined in this way from infrared radiation emitted in each case by the object to be examined into a solid angle of the measuring range.
Unter der Auswertevorrichtung zum Empfangen und Auswerten von Messsignalen des Infrarot-Detektorarrays soll eine Vorrichtung verstanden werden, die zumindest einen Informationseingang zur Annahme von Messsignalen, eine Informationsverarbeitungseinheit zur Bearbeitung, insbesondere Auswertung der angenommenen Messsignale, sowie eine Informationsausgabe zur Weitergabe der bearbeiteten und/oder ausgewerteten Messsignale, insbesondere der Temperaturmesswerte T, aufweist. Vorteilhaft weist die Auswertevorrichtung Komponenten auf, die zumindest einen Prozessor, einen Speicher und ein Betriebsprogramm mit Auswerte- und Berechnungsroutinen umfassen. Insbesondere können die elektronischen Bauteile der Auswertevorrichtung auf einer Platine (Leiterplatte) angeordnet sein, bevorzugt auf einer gemeinsamen Platine mit einer Steuervorrichtung des Infrarot-Messsystems zur Steuerung des Infrarot-Messsystems, und besonders bevorzugt in Form eines Mikrokontrollers. Des Weiteren können die Steuervorrichtung und die Auswertevorrichtung auch als ein einzelnes Bauteil ausgeführt sein. Die Auswertevorrichtung ist dazu vorgesehen, von dem Infrarot-Detektorarray bereitgestellte Messsignale, insbesondere von den mit der Auswertevorrichtung signaltechnisch verbindbaren Messpixeln des Infrarot-Detektorarrays bereitgestellte Messsignale, zu empfangen, auszuwerten und basierend auf Messsignalen zumindest einer Mehrzahl von Messpixeln des Infrarot-Detektorarrays eine Auswertung der Temperatur des Messbereichs durchzuführen. Insbesondere ist die Auswertevorrichtung dazu vorgesehen, basierend auf Messsignalen zumindest einer (beliebigen) Mehrzahl von Messpixeln des Infrarot-Detektorarrays eine Auswertung eines oder mehrerer Temperaturmesswerte T durchzuführen. Die ausgewerteten Temperaturmesswerte T können von der Auswertevorrichtung zur weiteren Verarbeitung und/oder zur Ausgabe, insbesondere zur Ausgabe an einen Benutzer des Infrarot-Messsystems mittels einer Ausgabevorrichtung und/oder zur Ausgabe an ein externes Gerät mittels einer Datenkommunikationsschnittstelle, bereitgestellt werden. The evaluation device for receiving and evaluating measurement signals of the infrared detector array is to be understood as a device that has at least one information input for accepting measurement signals, an information processing unit for processing, in particular evaluating the accepted measurement signals, and an information output for forwarding the processed and / or evaluated Measurement signals, in particular the temperature measured values T, has. The evaluation device advantageously has components which comprise at least one processor, a memory and an operating program with evaluation and calculation routines. In particular, the electronic components of the evaluation device can be arranged on a circuit board (printed circuit board), preferably on a common circuit board with a control device of the infrared measuring system for controlling the infrared measuring system, and particularly preferably in the form of a microcontroller. Furthermore, the control device and the evaluation device can also be designed as a single component. The evaluation device is provided to receive and evaluate measurement signals provided by the infrared detector array, in particular from the measurement pixels of the infrared detector array that can be connected to the evaluation device by signaling technology, and to evaluate, based on measurement signals, at least a plurality of measurement pixels of the infrared detector array Temperature of the measuring range. In particular, the evaluation device is provided to carry out an evaluation of one or more temperature measurement values T based on measurement signals of at least one (any) plurality of measurement pixels of the infrared detector array. The evaluated temperature measured values T can be provided by the evaluation device for further processing and / or for output, in particular for output to a user of the infrared measuring system by means of an output device and / or for output to an external device by means of a data communication interface.
In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von Messpixeln Matrix-artig an der Oberfläche des Detektorarray-Substrats angeordnet. Die Anzahl von Messpixeln beträgt beispielsweise 80×80 Pixel, bevorzugt 360×240 Pixel, besonders bevorzugt 640×480 Pixel. Beliebige andere Werte sind denkbar. Die Anzahl von Messpixeln definiert die Auflösung des Infrarot-Messsystems, d.h. insbesondere die Auflösung eines mittels des Infrarot-Messsystems gemessenen Wärmebilds eines zu untersuchenden Gegenstands.In one embodiment, the plurality of measurement pixels are arranged in a matrix-like manner on the surface of the detector array substrate. The number of measurement pixels is, for example, 80 × 80 pixels, preferably 360 × 240 pixels, particularly preferably 640 × 480 pixels. Any other values are conceivable. The number of measurement pixels defines the resolution of the infrared measurement system, i.e. in particular the resolution of a thermal image of an object to be examined, measured by means of the infrared measuring system.
Ferner weist das Infrarot-Messsystem zumindest eine Energieversorgungsvorrichtung, beispielsweise einen netzunabhängigen Akku, auf. In einer Ausführungsform kann das Infrarot-Messsystem auch eine Datenkommunikationsschnittstelle zur Übermittlung von Daten an ein externes Datengerät oder von einem externen Datengerät aufweisen.Furthermore, the infrared measuring system has at least one energy supply device, for example a mains-independent battery. In one embodiment, the infrared measuring system can also have a data communication interface for transmitting data to an external data device or from an external data device.
Das beschriebene Infrarot-Messsystem dient als Grundlage für das im Folgenden beschriebene Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperaturverteilung einer Oberfläche. Mittels der eingangs erläuterten Ansätze zur Unterdrückung von Streustrahlung - Aufbringung von Antireflexschichten und/oder Schwärzen von Gerätekomponenten - kann Streustrahlung nicht komplett vermieden werden. Obgleich typischerweise eine Kalibrierung des Infrarot-Detektorarrays bei Fertigung eines Infrarot-Messsystems durchgeführt wird, hängt auf Grund des Einflusses von Streustrahlung ein Messergebnis, beispielsweise ein Wärmebild, unmittelbar von der Größe (oder Entfernung) der zu vermessenden Oberfläche bzw. Gegenstände ab. Vermisst man mit einem Infrarot-Messsystem Gegenstände gleicher Temperatur aber unterschiedlicher Größe, so werden geringfügig unterschiedliche Temperaturwerte der Gegenstände ausgegeben, da in beiden Messszenarien jeweils unterschiedlich viel Streustrahlung auf jedes einzelne Messpixel fällt.The infrared measuring system described serves as the basis for the method described below for the contact-free determination of a temperature distribution of a surface. Using the approaches explained at the beginning for suppressing scattered radiation - application of anti-reflective layers and / or blackening of device components - scattered radiation cannot be completely avoided. Although typically a calibration of the infrared detector array is carried out when manufacturing an infrared measuring system, a measurement result, for example a thermal image, depends directly on the size (or distance) of the surface or objects to be measured due to the influence of scattered radiation. If objects with the same temperature but different sizes are measured with an infrared measuring system, slightly different temperature values of the objects are output, since in both measuring scenarios different amounts of scattered radiation fall on each individual measuring pixel.
Erfindungsgemäß wird ein Temperaturmesswert Ti zumindest eines Messpixels i der Mehrzahl von Messpixeln um eine von Streustrahlung verursachte Temperaturmesswert-Komponente ΔTi korrigiert, die aus Temperaturmesswerten Tj von bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixeln j berechnet wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Temperaturmesswerte Ti aller Messpixel i des Infrarot-Detektorarrays um jeweils eine von Streustrahlung verursachte Temperaturmesswert-Komponente ΔTi korrigiert, wobei die jeweilige Temperaturmesswert-Komponente ΔTi jeweils aus Temperaturmesswerten Tj von bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixeln j berechnet wird. Die Auswertevorrichtung ist insbesondere dazu vorgesehen, das erfindungsgemäße Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperaturverteilung einer Oberfläche durchzuführen.According to the invention, a temperature measurement value T i of at least one measurement pixel i of the plurality of measurement pixels is corrected by a temperature measurement value component ΔT i caused by scattered radiation, which is calculated from temperature measurement values T j of measurement pixels j to be taken into account in the correction. In one embodiment of the method, the temperature measurement values T i of all measurement pixels i of the infrared detector array are corrected by a temperature measurement value component ΔT i caused by scattered radiation, the respective temperature measurement value component ΔT i each from temperature measurement values T j of measurement pixels to be taken into account in the correction j is calculated. The evaluation device is particularly intended to carry out the method according to the invention for the contact-free determination of a temperature distribution of a surface.
Unter „Temperaturmesswert Ti zumindest eines Messpixels i der Mehrzahl von Messpixeln“ ist insbesondere zu verstehen, dass zunächst für ein (prinzipiell beliebiges) Messpixel i Messsignale bereitgestellt und der Auswertevorrichtung weitergeleitet werden. Die Auswertevorrichtung wertet zu dem entsprechenden Messpixel i einen Pixel-abhängigen Temperaturmesswert Ti aus. „Pixel-abhängig“ bedeutet dabei insbesondere, dass der jeweilige Temperaturmesswert Ti mit Index „i“ einem bestimmten Pixel „i“ eindeutig zugeordnet ist oder zuordenbar ist. Entsprechende Temperaturmesswerte Ti können in einer Ausführungsform des Verfahrens als die Temperatur der zu untersuchenden Oberfläche kennzeichnende Werte, beispielsweise in Grad Celsius (°C) oder Kelvin (K) oder dergleichen, realisiert sein. Ein entsprechend ermittelter Temperaturmesswert Ti setzt sich dabei zusammen aus einer Temperaturmesswert-Komponente, die auf unmittelbar von dem emittierenden Objekt emittierte Infrarotstrahlung zurückgeht - und die ohne Streuung unmittelbar auf das Messpixel i gelangt, sowie aus einer Temperaturmesswert-Komponente ΔTi, die sich auf Streustrahlung zurückführen lässt.“Temperature measurement value T i of at least one measurement pixel i of the plurality of measurement pixels” is to be understood in particular to mean that measurement signals are initially provided for a measurement pixel i (in principle any) and passed on to the evaluation device. The evaluation device evaluates a pixel-dependent temperature measurement value T i for the corresponding measurement pixel i . “Pixel-dependent” means in particular that the respective temperature measured value T i with index “i” is uniquely assigned or can be assigned to a specific pixel “i”. Corresponding temperature measured values T i can, in one embodiment of the method, be the temperature of the surface to be examined characteristic values, for example in degrees Celsius (° C) or Kelvin (K) or the like, can be realized. A correspondingly determined temperature measurement value T i is composed of a temperature measurement value component which is based on infrared radiation emitted directly by the emitting object - and which reaches the measurement pixel i without scattering, and a temperature measurement value component ΔT i which is based on Scattered radiation can be returned.
Die Korrektur des Temperaturmesswerts Ti zumindest eines Messpixels i der Mehrzahl von Messpixeln um eine solche, durch Streustrahlung verursachte, Temperaturmesswert-Komponente ΔTi wird erfindungsgemäß unter Heranziehung von Temperaturmesswerten Tj von bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixeln j berechnet. Diese Lehre beruht auf der Erkenntnis, dass eine Verteilung von Streustrahlung näherungsweise durch eine Ermittlung von Temperaturmesswerten Tj von bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixeln j simuliert und/oder berechnet werden kann. Insbesondere wurde erkannt, dass die auf ein Messpixel i einfallende Streustrahlung typischerweise aus einem bestimmten Winkelbereich stammt, der sich durch einen Empfangskonus charakterisieren lässt, in dessen Spitze das Messpixel i liegt. Die in diesen Empfangskonus emittierte Streustrahlung lässt sich erfindungsgemäß durch eine Ermittlung von Temperaturmesswerten Tj von bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixeln j simulieren und/oder berechnen. Dabei berechnet sich die Temperaturmesswert-Komponente ΔTi anhand von Temperaturmesswerte Tj, die insbesondere für benachbarte zu berücksichtigende Messpixel j des Messpixels i ermittelten werden.The correction of the temperature measurement value T i of at least one measurement pixel i of the plurality of measurement pixels by such a temperature measurement value component ΔT i caused by scattered radiation is calculated according to the invention using temperature measurement values T j of measurement pixels j to be taken into account in the correction. This teaching is based on the knowledge that a distribution of scattered radiation can be simulated and / or calculated approximately by determining temperature measurement values T j of measurement pixels j to be taken into account in the correction. In particular, it was recognized that the scattered radiation incident on a measurement pixel i typically originates from a certain angular range, which can be characterized by a reception cone, in the tip of which the measurement pixel i lies. The scattered radiation emitted in this receiving cone can be simulated and / or calculated according to the invention by determining temperature measurement values T j of measurement pixels j to be taken into account in the correction. The temperature measurement value component ΔT i is calculated on the basis of temperature measurement values T j , which are determined in particular for adjacent measurement pixels j of the measurement pixel i to be taken into account.
Es sei darauf hingewiesen, dass „zu berücksichtigende Messpixel j“ prinzipiell beliebig wählbar sein können, wobei die Anzahl der zu berücksichtigenden Messpixel nicht notwendigerweise der Gesamtheit der zur Verfügung stehenden Messpixel entsprechen muss. Daher kann die Menge der ausgewerteten Pixel kleiner sein als die Menge der insgesamt auf dem Infrarot-Detektorarray verfügbaren Messpixel. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixel j als die (gesamte) Mehrzahl von Messpixeln des Infrarot-Detektorarrays gewählt. Dabei wird ein Anteil von Streustrahlung, der von dem Messpixel i selbst erzeugt oder verursacht wird, berücksichtigt. Eine besonders genaue Berechnung der Temperaturmesswert-Komponente ΔTi ist somit möglich. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden die bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixel j als die Mehrzahl von Messpixeln des Infrarot-Detektorarrays, allerdings mit Ausnahme des Messpixels i selbst, gewählt.It should be pointed out that “measurement pixels j to be taken into account” can in principle be arbitrarily chosen, the number of measurement pixels to be taken into account does not necessarily have to correspond to the totality of the measurement pixels available. Therefore, the amount of pixels evaluated can be smaller than the total amount of measurement pixels available on the infrared detector array. In one embodiment of the method, the measurement pixels j to be taken into account in the correction are selected as the (entire) plurality of measurement pixels of the infrared detector array. A proportion of scattered radiation which is generated or caused by the measurement pixel i itself is taken into account. A particularly precise calculation of the temperature measurement component ΔT i is thus possible. In an alternative embodiment of the method, the measurement pixels j to be taken into account in the correction are selected as the plurality of measurement pixels of the infrared detector array, but with the exception of the measurement pixel i itself.
In einer wiederum alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden die bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixel j gemäß einer symmetrischen Anordnung der Messpixel j auf dem Infrarot-Detektorarray gewählt. Unter einer „symmetrischen Anordnung“ ist insbesondere zu verstehen, dass die zu berücksichtigenden Messpixel j in symmetrischer, insbesondere punkt- und/oder spiegelsymmetrischer, Weise zum Messpixel i angeordnet sind. Insbesondere kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Messpixel j, die jeweils einen identischen geometrischen Abstand dij zum Messpixel i aufweisen und somit in im Wesentlichen ringförmigen Strukturen vorliegen, zusammengefasst oder gemittelt für die Berechnung berücksichtigt werden (d.h. Messpixel j, die in einem Kreisring mit bestimmtem Abstand dij zum Messpixel i angeordnet sind, tragen in identischer Weise zur Streustrahlung auf Messpixel i bei). Alternativ oder zusätzlich können für die Berechnung auch Messpixel j eines eingeschränkten Winkelbereichs - beispielsweise von 90° oder 45° oder dergleichen - einer ansonsten im Wesentlichen rotationssymmetrischen Anordnung zur Berechnung berücksichtigt werden, wobei bei der Berechnung die symmetrischen Anteile, die nicht berechnet werden, multiplikativ erfasst werden (z.B. bei Berücksichtigung eines 90°-Segments Multiplikation mit „4“). Auf diese Weise können Symmetrieüberlegungen einbezogen werden, die einen zur Berechnung der Temperaturmesswert-Komponente ΔTi benötigten Rechenaufwand der Auswertevorrichtung verringern. Folglich kann auf diese Weise eine besonders einfache und schnell durchführbare Berechnung realisiert werden, wobei ferner eine Anforderung an die Auswertevorrichtung hinsichtlich ihrer Rechenleistung besonders geringgehalten werden kann und somit Kosten eingespart werden können.In another alternative embodiment of the method, the measurement pixels j to be taken into account in the correction are selected in accordance with a symmetrical arrangement of the measurement pixels j on the infrared detector array. A “symmetrical arrangement” is to be understood in particular to mean that the measurement pixels j to be taken into account are arranged in a symmetrical, in particular point and / or mirror symmetry, manner with respect to the measurement pixel i. In particular, it can be provided, for example, that measurement pixels j, each of which have an identical geometric distance d ij from measurement pixel i and are therefore present in essentially ring-shaped structures, are taken into account for the calculation in a combined or averaged manner (ie measurement pixels j that are in a circular ring with a determined Distance d ij to the measuring pixel i are identical, contribute to the scattered radiation on the measuring pixel i). As an alternative or in addition, measurement pixels j of a restricted angular range - for example of 90 ° or 45 ° or the like - of an otherwise essentially rotationally symmetrical arrangement can be taken into account for the calculation, the symmetrical components that are not calculated being recorded multiplicatively during the calculation multiplication by "4" if a 90 ° segment is taken into account. In this way, symmetry considerations can be included which reduce the computing effort of the evaluation device required to calculate the temperature measured value component ΔT i . Consequently, a particularly simple and quick calculation can be implemented in this way, and furthermore, a requirement for the evaluation device with regard to its computing power can be kept particularly low and costs can thus be saved.
Das Korrigieren eines Temperaturmesswerts Ti eines Messpixels i um eine Pixel-zugehörige Temperaturmesswert-Komponente ΔTi bezeichnet eine Korrektur, die für jedes Messpixel i der Mehrzahl von Messpixeln, für die Temperaturmesswerte Ti bestimmt wurden, angewandt wird oder angewandt werden kann. Dies kann in einer Ausführungsform des Verfahrens insbesondere dadurch erfolgen, dass auf einen zu einem jeweiligen Messpixel i ermittelten Temperaturmesswert Ti eine für dieses Messpixel i berechnete Temperaturmesswert-Komponente ΔTi addiert wird, d.h. Ti corr = Ti + ΔTi. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein von Streustrahlung unabhängiger Temperaturmesswert (nämlich Ti corr) erhalten werden. Die vorliegende Erfindung verbessert somit die Genauigkeit des Infrarot-Messsystems und kann durch die verbesserten Temperaturangaben auch ein ausgegebenes Wärmebild besser darstellen.Correcting a temperature measurement value T i of a measurement pixel i by a pixel-associated temperature measurement value component ΔT i denotes a correction which is or can be applied for each measurement pixel i of the plurality of measurement pixels for which temperature measurement values T i have been determined. This can be done particularly characterized in an embodiment of the method that is added to a to a respective measuring pixels i detected temperature measurement value T i a for this measurement pixel i calculated temperature reading component .DELTA.T i, ie T i corr = T i + .DELTA.T i. In this way, a temperature measurement value (namely T i corr ) which is independent of scatter radiation can advantageously be obtained. The present invention thus improves the accuracy of the infrared measuring system and can also better display an output thermal image due to the improved temperature information.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperaturmesswert-Komponente ΔTi über den Zusammenhang
- - Weisen berücksichtigte Messpixel j einen gemittelten Temperaturmesswert auf, der dem Temperaturmesswert Ti entspricht, so wird im Wesentlichen keine Korrektur durchgeführt, da die Temperaturmesswert-Komponente ΔTi klein ist (im Wesentlichen gleich Null ist);
- - Weisen berücksichtigte Messpixel j einen gemittelten Temperaturmesswert auf, der kleiner ist als der Temperaturmesswert Ti, so wird eine positive Temperaturmesswert-Komponente ΔTi erhalten und der von Streustrahlung unabhängige Temperaturmesswert Ti corr wird größer als Ti;
- - Weisen berücksichtigte Messpixel j einen gemittelten Temperaturmesswert auf, der größer ist als der Temperaturmesswert Ti, so wird eine negative Temperaturmesswert-Komponente ΔTi erhalten und der von Streustrahlung unabhängige Temperaturmesswert Ti corr wird kleiner als Ti.
- - If the measured pixels j have an averaged temperature measured value that corresponds to the temperature measured value T i , then essentially no correction is carried out, since the temperature measured value component ΔT i is small (essentially equal to zero);
- - If measured pixels j have an averaged temperature measurement value that is smaller than the temperature measurement value T i , a positive temperature measurement value component ΔT i is obtained and the temperature measurement value T i corr , which is independent of scattered radiation, becomes greater than T i ;
- - If measured pixels j have an averaged temperature measured value that is greater than the temperature measured value T i , a negative temperature measured value component ΔT i is obtained and the temperature measured value T i corr , which is independent of scattered radiation, becomes smaller than T i .
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperaturmesswert-Komponente ΔTi aus Temperaturmesswerten Tj von bei der Korrektur zu berücksichtigenden Messpixeln j und deren Abstand dij zum Messpixel i berechnet. Auf diese Weise kann eine deutlich genauere Bestimmung der Temperaturmesswert-Komponente ΔTi erfolgen. Dabei kann in einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens die Temperaturmesswert-Komponente ΔTi über den Zusammenhang
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Korrekturfaktor Cij aus einer geräteintern hinterlegten Zuordnung ermittelt, die für jedes zu berücksichtigende Messpixel j einen Anteil an Streustrahlung spezifiziert, die vom Messpixel j auf ein Messpixel i wirkt. Die Zuordnung gibt also an, aus welchen Richtungen - d.h. von welchen benachbarten Messpixeln j - prinzipiell wieviel Streustrahlung auf einem Messpixel i empfangen wird. Die hinterlegte Zuordnung kann dabei beispielsweise in Form einer Tabelle, einer Funktion, einer Matrix oder dergleichen realisiert sein. Insbesondere wird diese Zuordnung bei einer Werkskalibrierung des Infrarot-Messsystems ermittelt und im Infrarot-Messsystem hinterlegt, insbesondere gespeichert. Insbesondere verfügt die Auswertevorrichtung des Infrarot-Messsystems über die Zuordnung für jede Messpixel-Kombination i,j (d.h. Cij für alle i,j) des Infrarot-Detektorarrays. Vorteilhaft können diese aus einem Speicher der Auswertevorrichtung für jedes Messpixel i, j des Infrarot-Detektorarrays abrufbar sein, wobei eine eindeutige Zuordnung von Streustrahlungsanteilen zu den entsprechenden Messpixel-Kombinationen i,j gewährleistet ist. In einer Ausführungsform des Infrarot-Messsystems ist die Zuordnung in Form einer Tabelle gespeichert.In one embodiment of the method, the correction factor C ij is determined from an assignment stored internally in the device, which specifies for each measurement pixel j to be taken into account a proportion of scattered radiation which acts on the measurement pixel j from a measurement pixel i. The assignment therefore specifies from which directions - ie from which neighboring measurement pixels j - in principle how much scattered radiation is received on a measurement pixel i. The stored assignment can be implemented, for example, in the form of a table, a function, a matrix or the like. In particular, this assignment is determined during a factory calibration of the infrared measuring system and stored, in particular stored, in the infrared measuring system. In particular, the evaluation device of the infrared measurement system has the assignment for each measurement pixel combination i, j (ie C ij for all i, j) of the infrared detector array. These can advantageously be retrievable from a memory of the evaluation device for each measurement pixel i, j of the infrared detector array, with an unambiguous assignment of scattered radiation components to the corresponding measurement pixel combinations i, j being ensured. In one embodiment of the infrared measuring system, the assignment is stored in the form of a table.
Beispielsweise kann ein Verfahren zur Ermittlung einer Kalibrierfunktion oder einer Zuordnung eines Infrarot-Messsystems angegeben werden, bei der mittels des Infrarot-Messsystems in einem ersten Verfahrensschritt zumindest ein Temperaturmesswert Ti von einer Temperaturverteilung einer ersten Oberfläche bekannter Temperatur mittels zumindest eines Messpixels i ermittelt wird, und in weiteren Verfahrensschritten zumindest weitere Temperaturmesswerte Ti von einer Temperaturverteilung zumindest einer weiteren, flächenmäßig reduzierten Oberfläche derselben bekannten Temperatur, insbesondere unter Zwischenschaltung einer die erste Oberfläche teilweise abdeckenden Blende, mittels des zumindest einen Messpixels i ermittelt werden. Derart wird also eine großflächige Oberfläche bekannter Temperatur vor das Infrarot-Messsystem platziert. Diese thermische Quelle (oder Senke) kann dann zumindest teilweise durch eine Blende abgedeckt werden. Mit zunehmender Blendenöffnung, d.h. mit zunehmend „sichtbarer“ Oberfläche, wird der mittels eines Messpixels i ermittelte Temperaturwert Ti zunehmen, da mit zunehmender Blendenöffnung die zusätzlich empfangene Streustrahlung ebenfalls erhöht wird. Es entsteht eine Abhängigkeit, die mit zunehmender Blendenöffnung sättigt, d.h. wenn die Blende weiter geöffnet wird, steigt der mittels des Messpixels i ermittelte Temperaturwert Ti nicht weiter an. Anschließend werden in einem weiteren Verfahrensschritt die durch das Messpixel i ermittelten Temperaturmesswerte in Abhängigkeit von der Größe der Oberfläche (oder äquivalent in Abhängigkeit von der Blendenöffnung) aufgetragen. Diese Auftragung entspricht - bis auf einen Skalierungsfaktor - ebenfalls einer Auftragung in Abhängigkeit der Lichtfleckgröße auf dem Infrarot-Detektorarray, da die von dem kleiner werdenden Objekt (kleiner werdende Blendenöffnung) emittierte und auf das Infrarot-Detektorarray einfallende Infrarotstrahlung einen kleiner werdenden beleuchteten Lichtfleck auf dem Infrarot-Detektorarray erzeugt. Mittels dieser Auftragung kann nun in einem weiteren Verfahrensschritt ermittelt werden, wieviel Streustrahlung von einem benachbarten Messpixel j auf das betreffende Messpixel i einfällt. Je weiter ein Messpixel j vom Messpixel i entfernt ist, desto weniger Streustrahlung empfängt es. Die Lichtfleckgröße lässt sich als Funktion des Lichtfleckradius parametrisieren, dieser wiederum in Einheiten von Messpixelabständen ausdrücken. Folglich entspricht die Auftragung - bis auf einen Skalierungsfaktor - ebenfalls einer Auftragung in Abhängigkeit des Abstands dij. Die Ableitung der Auftragung ergibt die Zunahme an auf ein Messpixel i einfallender Strahlung abhängig von einer Vergrößerung der Blendenöffnung bzw. der Lichtfleckgröße bzw. des Abstands dij. Folglich kann derart die Abhängigkeit der Streustrahlung vom Abstand dij ermittelt werden und die Korrekturfaktoren Cij ermittelt werden. In einem Ausführungsbeispiel wird die Auftragung durch eine „Übersprechfunktion“ der Form a·ln x + b approximiert, wobei x der Blendenöffnung bzw. der Lichtfleckgröße bzw. dem Abstand dij entspricht. Die Ableitung ist dann gegeben durch a/x.For example, a method for determining a calibration function or an assignment of an infrared measurement system can be specified, in which at least one temperature measurement value T i of a temperature distribution of a first surface of known temperature is determined by means of at least one measurement pixel i by means of the infrared measurement system in a first method step, and in further method steps, at least further temperature measured values T i from a temperature distribution of at least one further, reduced-area surface of the same known temperature, in particular with the interposition of an aperture partially covering the first surface, are determined by means of the at least one measurement pixel i. In this way, a large surface of known temperature is placed in front of the infrared measuring system. This thermal source (or sink) can then be at least partially covered by an aperture. With increasing aperture, that is, with increasing "visible" surface is of, increasing by means of a measurement pixel i calculated temperature value T i as the additionally received scattered radiation is also increased with increasing aperture. A dependency arises which saturates with increasing aperture, ie if the aperture is opened further, the temperature value T i determined by means of the measurement pixel i does not increase any further. Subsequently, in a further method step, the temperature measurement values determined by the measurement pixel i are plotted depending on the size of the surface (or equivalently depending on the aperture opening). With the exception of a scaling factor, this application also corresponds to an application as a function of the size of the light spot on the infrared detector array, since the object that is getting smaller (getting smaller Aperture) emitted and infrared radiation incident on the infrared detector array generates a smaller and smaller illuminated light spot on the infrared detector array. Using this application, it can now be determined in a further method step how much stray radiation from an adjacent measurement pixel j is incident on the measurement pixel i in question. The further a measurement pixel j is from the measurement pixel i, the less scattered radiation it receives. The light spot size can be parameterized as a function of the light spot radius, which in turn can be expressed in units of measuring pixel distances. Consequently, the plot - apart from a scaling factor - also corresponds to a plot depending on the distance d ij . The derivation of the application results in the increase in radiation incident on a measurement pixel i as a function of an enlargement of the aperture or the size of the light spot or the distance d ij . Consequently, the dependence of the scattered radiation on the distance d ij can be determined in this way and the correction factors C ij can be determined. In one exemplary embodiment, the application is approximated by a “crosstalk function” of the form a · ln x + b, where x corresponds to the aperture or the size of the light spot or the distance d ij . The derivation is then given by a / x.
Das vorgeschlagene Verfahren kann dabei individuell für jedes hergestellte Infrarot-Messsystem durchgeführt werden und somit eine für jedes Infrarot-Messsystem individuelle Zuordnung ermittelt und jeweils hinterlegt werden. Alternativ kann dieses Verfahren auch für einen bestimmten Typ von hergestellten Infrarot-Messsystemen durchgeführt werden und somit eine für eine „Geräteserie“ individuelle Zuordnung ermittelt und in den Infrarot-Messsystemen der Serie hinterlegt werden.The proposed method can be carried out individually for each infrared measurement system produced and thus an individual assignment for each infrared measurement system can be determined and stored in each case. As an alternative, this method can also be carried out for a specific type of infrared measuring system manufactured and thus an individual assignment for a “device series” can be determined and stored in the infrared measuring systems of the series.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Temperaturmesswert Ti zumindest eines Messpixels i der Mehrzahl von Messpixeln in zeitlichen Abständen wiederholt, insbesondere regelmäßig, bevorzugt kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich, korrigiert. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Korrektur während einer Anwendung des Infrarot-Messsystems bei einem Anwender durchgeführt wird und nicht bei einer Kalibrierung, die noch im Werk stattfindet. Durch die in zeitlichen Abständen wiederholte Korrektur kann realisiert werden, dass eine ebenfalls wiederholte Korrektur der einem Benutzer des Infrarot-Messsystems ausgegebenen Temperatur, insbesondere eines Wärmebilds, um die Streustrahlung erfolgt. Vorteilhafterweise ist die Auswertevorrichtung dazu vorgesehen, durch eine hohe Verarbeitungsrate der Temperaturmesswerte eine regelmäßige, insbesondere eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche, Bestimmung der Temperaturmesswert-Komponenten ΔTi, und somit eine regelmäßige, insbesondere eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche, Korrektur der ermittelten Temperatur, insbesondere des Wärmebilds, zu ermöglichen. Unter „quasi-kontinuierlich“ ist insbesondere zu verstehen, dass die sich wiederholende Korrektur eine geräteinterne Verarbeitungsdauer durch die Auswertevorrichtung bis zur fertigen Korrektur der Temperaturmesswerte Ti corr von weniger als 10 Sekunden, bevorzugt von weniger als 5 Sekunde, besonders bevorzugt von weniger als 1 Sekunde aufweist. Auf diese Weise wird bei einem Benutzer des Infrarot-Messsystems der Eindruck erweckt, dass die für die untersuchte Oberfläche ermittelte Temperatur, insbesondere das Wärmebild, unmittelbar, bevorzugt in Echtzeit und kontinuierlich, korrigiert wird.In one embodiment of the method according to the invention, the temperature measurement value T i of at least one measurement pixel i of the plurality of measurement pixels is repeated at time intervals, in particular regularly, preferably continuously or quasi-continuously, corrected. It should be pointed out that this correction is carried out during use of the infrared measuring system by a user and not during a calibration that is still taking place in the factory. By means of the correction repeated at intervals, it can be realized that the temperature, in particular a thermal image, given to a user of the infrared measuring system, is also repeated, corrected for the scattered radiation. Advantageously, the evaluation device is provided for a regular, in particular a continuous or quasi-continuous, determination of the temperature measured value components .DELTA.T i , and thus a regular, in particular a continuous or quasi-continuous, correction of the determined temperature by a high processing rate of the temperature measured values. especially the thermal image. “Quasi-continuous” is to be understood in particular to mean that the repetitive correction takes an internal processing time by the evaluation device through to the finished correction of the temperature measured values T i corr of less than 10 seconds, preferably less than 5 seconds, particularly preferably less than 1 Second. In this way, the user is given the impression that the temperature determined for the examined surface, in particular the thermal image, is corrected immediately, preferably in real time and continuously.
Zeichnungendrawings
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreicher Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente.The invention is explained in more detail in the following description with reference to exemplary embodiments shown in the drawings. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into useful further combinations. The same reference symbols in the figures denote the same elements.
Es zeigen:
-
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarot-Messsystems in einer perspektivischen Frontansicht, -
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarot-Messsystems in einer perspektivischen Rückansicht, -
3 eine perspektivische, schematische Rückansicht des erfindungsgemäßen Infrarot-Messsystems vor einem zu vermessenden Gegenstand, -
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen und sinnvollen Komponenten des erfindungsmäßen Infrarot-Messsystems, -
5 eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform eines Infrarot- Detektorarrays, -
6 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Verfahrensdiagramm.
-
1 an embodiment of an infrared measuring system according to the invention in a perspective front view, -
2 an embodiment of an infrared measuring system according to the invention in a perspective rear view, -
3 2 shows a perspective, schematic rear view of the infrared measuring system according to the invention in front of an object to be measured, -
4 1 shows a schematic representation of an embodiment of the components of the infrared measuring system according to the invention that are necessary and useful for carrying out the method according to the invention, -
5 1 shows a schematic top view of an embodiment of an infrared detector array, -
6 an embodiment of the method according to the invention in a process diagram.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Infrarot-Messsystem
Auf der einem Benutzer abgewandten Seite
Auf der einem Benutzer während der Benutzung der Wärmebildkamera
Auf der Unterseite der Wärmebildkamera
Die Wärmebildkamera
In
Das Infrarot-Detektorarray
Jedes Messpixel i 62 ist dazu vorgesehen, ein elektrisches Messsignal Ui, beispielsweise ein Potential, an seinem Ausgang bereitzustellen, dass mit der eingestrahlten Wärmeleistung der Infrarotstrahlung Pi auf das Messpixel
Die Steuervorrichtung
Die Energieversorgungsvorrichtung
Die Auswertevorrichtung
Die ausgewerteten Temperaturmesswerte Ti können von der Auswertevorrichtung
Insgesamt ist die Wärmebildkamera
Die von der Auswertevorrichtung
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der
In
Ausgehend von dem in
Anschließend leitet die Steuervorrichtung
Mit den nunmehr vorliegenden Temperaturmesswerten T kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Für zumindest ein Messpixel i
Abschließend wird ein jeweiliger Temperaturmesswert Ti eines Messpixels i um die jeweils Pixel-zugehörige Temperaturmesswert-Komponente ΔTi korrigiert, die vorab berechnet wurde. Dies wird dadurch realisiert, dass auf einen zu einem jeweiligen Messpixel i ermittelten Temperaturmesswert Ti die für dieses Messpixel i berechnete Temperaturmesswert-Komponente ΔTi in Verfahrensschritt
Mit Funktionsblock
Abschließend wird in Verfahrensschritt
Gemäß Pfeil
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102016218295 A1 [0003]DE 102016218295 A1 [0003]
- DE 102016211829 A1 [0003]DE 102016211829 A1 [0003]
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