DE10214721A1

DE10214721A1 - Temperaturverteilungsmeßverfahren und -vorrichtung

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Publication number: DE10214721A1
Application number: DE10214721A
Authority: DE
Inventors: Kenji Yano; Misao Iwata; Miyuki Hashimoto; Kuniyuki Kitagawa; Norio Arai
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2002-10-31
Also published as: GB0207846D0; JP2002303553A; US6817758B2; FR2823302A1; GB2376365A; GB2376365B; US20020146056A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Oberflächentemperatur eines Objektkörpers (12) durch Berechnen einer Temperatur für jedes Bildelement eines Bilds des Objektkörpers auf der Basis eines Strahlungsintensitätsverhältnisses für jedes Paar entsprechender Bildelemente eines ersten und zweiten Bilds, die erhalten werden bezüglich Strahlungen mit jeweiligen ersten und zweiten Wellenlängen, die ausgewählt werden aus einem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht durch ein erstes Filter (34), das eine Durchlässigkeit für eine Strahlung mit der ersten Wellenlänge aufweist, die ausgewählt wird gemäß einer Strahlungsintensitätskennlinie entsprechend einer Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einem niedrigen Grenzwert einer zu messenden Temperatur, und die innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs liegt, in welchem die Strahlungsintensität größer als eine Strahlungsintensität bei einer normalen Raumtemperatur ist, und einem zweiten Filter (36), das eine Durchlässigkeit aufweist für eine Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, die ausgewählt wird innerhalb des Hochstrahlungsintensitätsbereichs in der Weise, dass die zweite Wellenlänge unterschiedlich ist zur ersten Wellenlänge um eine vorbestimmte Differenz, die nicht größer als 1/3 der ersten Wellenlänge ist und die nicht kleiner als die Summe der halben Längen der ersten und zweiten Wellenlängen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine genaue Messung einer Verteilung einer Oberflächentemperatur eines aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien mit bekannten Emissionswerten bestehenden Objekts ermöglichen.

Es ist manchmal erforderlich, eine Temperaturverteilung genau zu messen, beispielsweise eine Verteilung einer Oberflächentemperatur eines innerhalb eines Feuers oder eines technischen Ofens angeordneten Gegenstands, oder eine Verteilung einer Oberflächentemperatur eines Wärme erzeugenden Körpers. Eine Oberflächentemperaturverteilungs messvorrichtung wurde bereits vorgeschlagen, die einen Bildsensor verwendet, der betreibbar ist zum Bereitstellen zweier Bilder eines Objektkörpers mit jeweiliger Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen, die aus einer optischen Energie oder einem vom Objektkörper ausgestrahlten Licht ausgewählt werden. Diese Messvorrichtung ist vorgesehen zum Erzeugen eines Verhältnisses eines Strahlungsintensitätswerts für jedes Paar entsprechender lokaler Abschnitte der bereitgestellten beiden Bilder, und zum Messen der Oberflächentemperatur des Objektkörpers unter Verwendung des Prinzips der Messung mittels eines dichroitischen Thermometers. Die Druckschrift JP-B2-6844 offenbart ein Beispiel einer derartigen Oberflächentemperaturverteilungsmessvorrichtung. Die in dieser Druckschrift offenbarte Vorrichtung ist vorgesehen zum Berechnen einer Verteilung der Oberflächentemperatur des Objektkörpers auf der Basis des Verhältnisses eines tatsächlichen Strahlungsintensitätswerts entsprechend den beiden unterschiedlichen Wellenlängen und entsprechend einer vorbestimmten Gleichung auf der Basis einer bekannten Beziehung zwischen dem Strahlungsintensitätsverhältnis und der Oberflächentemperatur. Gemäß dieser Vorrichtung ist eine Berechnung auch dann möglich, wenn die Strahlungseigenschaften der Oberfläche des Objektkörpers unbekannt sind.

Die in der Druckschrift JP-B2-7-6844 offenbarte Meßvorrichtung verwendet einen Bildempfänger in der Form einer Fernsehkamera zum Erfassen der Strahlungsintensitätswerte entsprechend den drei Primärfarben rot, grün und blau, RGB (beispielsweise Farbe rot mit 590 nm, Farbe grün mit 530 nm und Farbe blau mit 460 nm) des Lichts des Objektkörpers, und zum Gewinnen einer Vielzahl von Sätzen von Strahlungsintensitätsverhältnissen der beiden Farben der drei Primärfarben, beispielsweise rot und grün. Die Messvorrichtung ist vorgesehen zum Umwandeln der erhaltenen Strahlungsintensitätsverhältnisse in die Oberflächentemperatur des Objektkörpers entsprechend einer vorbestimmten theoretischen Kennlinie (Kurve) in Verbindung mit einer Kompensationsfunktion, und zum Anzeigen einer Verteilung der Oberflächentemperatur.

Die bekannte Oberflächentemperaturverteilungs messvorrichtung gemäß der vorstehenden Beschreibung verwendet die ausgewählten beiden Farben der drei Primärfarben des Lichts des Objektkörpers. Das Strahlungsintensitätsverhältnis der ausgewählten beiden Farben kann jedoch nicht als ein Verhältnis der zwei Strahlungen mit den vorbestimmten Wellenlängen angesehen werden, so dass das Prinzip der Messung gemäß der bekannten Vorrichtung nicht völlig dem Prinzip der Messung mittels des dichroitischen Thermometers entspricht, wobei insbesondere eine Voraussetzung nicht vollständig erfüllt ist, dass die Abhängigkeit des Strahlungswerts (Emissionswert) der Wellenlänge für zwei Strahlungen der Wellenlängen ignoriert werden kann, die nahe beieinander liegen, wobei dies zu der Annäherung ε₁ = ε₂ führt. Die bekannte Vorrichtung weist somit Probleme hinsichtlich eines großen Fehlerbetrags in der erhaltenen Oberflächentemperaturverteilung auf.

Andererseits offenbart die Druckschrift JP-A-7-301569 ein Verfahren zum Gewinnen einer Verteilung einer Oberflächentemperatur entsprechend dem Dichroismus unter Verwendung einer infraroten Strahlung. Dieses Verfahren verwendet eine Infrarotstrahlungskamera zum Erfassen der Strahlungsintensität, zwei Filter, die durchlässig sind für die beiden jeweiligen Strahlungen mit den entsprechenden unterschiedlichen Wellenlängen, und einen Spiegel, dessen Winkel geändert wird, und wobei eine gerichtete Strahlung erzeugt wird, die auf ein ausgewähltes Filter der beiden Filter auftrifft. Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird die Temperatur erhalten auf der Basis des Strahlungsintensitätsverhältnisses der erzeugten Bilder des Objektkörpers, und es wird die erhaltene Temperatur für jedes Bildelement der Bilder angezeigt. Da die Wellenlängen der verwendeten Strahlungen nahe beieinander liegen, wird berücksichtigt, dass eine Differenz in dem Abstrahlungsverhalten in entsprechender Weise vermindert ist, so dass es möglich wird, den Fehlerbetrag in der erhaltenen Temperaturverteilung zu vermindern. Die Druckschrift JP-A-7-301569 umfasst jedoch keine Beschreibung einer Beziehung zwischen den Kennlinien der zwei Filter, sowie eine Technik, die eine Messung einer Temperaturverteilung mit einem ausreichenden Genauigkeitsgrad ermöglicht.

Die Erfindung wurde vor dem Hintergrund des vorstehend diskutierten Standes der Technik getätigt. Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine genaue Messung einer Verteilung einer Oberflächentemperatur eines Objektkörpers ermöglicht. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer geeigneten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Erfindungsgemäß wird entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung die erste Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Messen einer Oberflächentemperatur eines Objektkörpers durch Berechnen einer Temperatur des Objektkörpers für jedes Bildelement seines Bilds auf der Basis eines Strahlungsintensitätsverhältnisses jedes Paars korrespondierender Bildelemente eines ersten und zweiten Bilds, die erhalten werden bezüglich jeweiliger Strahlungen mit unterschiedlichen ersten und zweiten Wellenlängen und die ausgewählt werden aus einem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht, wobei das Verfahren umfasst:
einen ersten Wellenlängenauswählschritt zum Auswählen einer Strahlung mit der ersten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht unter Verwendung eines ersten Filters, das durchlässig ist für eine Strahlung mit der ersten Wellenlänge, die gemäß einer Abstrahlungsintensitätskennlinie entsprechend einer Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einer oberen Grenze eines Bereichs der zu messenden Temperatur ausgewählt wird, und die sich innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs befindet, in welchem die Strahlungsintensität höher ist als eine Strahlungsintensität bei einer normalen Raumtemperatur, und
einen zweiten Wellenlängenauswählschritt zum Auswählen der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht, unter Verwendung eines zweiten Filters, das durchlässig ist für eine Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, die ausgewählt wird in dem Hochstrahlungsintensitätsbereich in der Weise, dass die zweite Wellenlänge zur ersten Wellenlänge um eine vorbestimmte Differenz unterschiedlich ist, die nicht größer ist als 1/3 der ersten Wellenlänge und die nicht kleiner ist als die Summe einer halben Länge (Breite) der ersten Wellenlänge und einer halben Länge (Breite) der zweiten Wellenlänge.

Die vorstehend angegebene zweite Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zum Messen einer Oberflächentemperatur eines Objektkörpers durch Berechnen einer Temperatur des Objektkörpers für jedes Bildelement seines Bilds auf der Basis eines Strahlungsintensitätsverhältnisses jedes Paars korrespondierender Bildelemente eines ersten und eines zweiten Bilds, die erhalten werden bezüglich Strahlungen mit jeweiligen ersten und zweiten Wellenlängen und die ausgewählt werden aus einem von einer Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht, wobei die Vorrichtung umfasst:
ein erstes Filter zum Auswählen einer Strahlung mit der ersten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht, wobei das erste Filter durchlässig ist für eine Strahlung mit der ersten Wellenlänge, die ausgewählt wird gemäß einer Strahlungsintensitätskennlinie entsprechend einer Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einem unteren Grenzwert eines Bereichs der zu messenden Temperatur, und die innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs liegt, in welchem die Strahlungsintensität höher ist als eine Strahlungsintensität bei einer normalen Raumtemperatur, und
ein zweites Filter zum Auswählen der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht, wobei das zweite Filter durchlässig ist für eine Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, die ausgewählt wird innerhalb des Hochstrahlungsintensitätsbereichs in der Weise, dass die zweite Wellenlänge zur ersten Wellenlänge um eine vorbestimmte Differenz unterschiedlich ist, die nicht größer ist als 1/3 der ersten Wellenlänge und die nicht kleiner ist als die Summe einer halben Länge der ersten Wellenlänge und einer halben Länge der zweiten Wellenlänge.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung gemäß der vorstehenden Beschreibung wird die Temperatur des Objektkörpers für jedes Bildelement auf der Basis des Strahlungsintensitätsverhältnisses jedes Paars korrespondierender Bildelemente des ersten und zweiten Bilds berechnet und erhalten mit den jeweiligen Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlängen, die aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht ausgewählt werden. Somit wird die Verteilung der Oberflächentemperatur des Objektkörpers auf der Basis der Temperatur T_ij für jedes Bildelement gemessen. Zum Auswählen der Strahlung mit der ersten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers abgegebenen Licht verwendet die vorliegende Erfindung ein erstes Filter, das durchlässig ist für eine Strahlung mit der ersten Wellenlänge, die ausgewählt wird gemäß einer Strahlungsintensitätskennlinie entsprechend der Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einem unteren Grenzwert des Bereichs der zu messenden Temperatur, und die innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs liegt, in welchem die Strahlungsintensität höher ist als die Strahlungsintensität bei einer normalen Raumtemperatur. Die vorliegende Erfindung verwendet ferner das zweite Filter, das durchlässig ist für eine Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, die ausgewählt wird innerhalb des vorstehend angegebenen Hochstrahlungsintensitätsbereichs, in der Weise, dass die zweite Wellenlänge zur ersten Wellenlänge um eine vorbestimmte Differenz unterschiedlich ist, die nicht größer ist als 1/3 der ersten Wellenlänge und die nicht kleiner ist als die Summe der halben Länge der ersten Wellenlänge und der halben Länge der zweiten Wellenlänge. Somit können optische Signale mit ausreichend hohen Strahlungsintensitäten erhalten werden, die zu einem entsprechend hohen Signal/Rausch-Verhältnis der Vorrichtung führen. Ferner sind die ersten und zweiten Wellenlängen nahe beieinander, so dass das Prinzip der Messung entsprechend der vorliegenden Erfindung vollständig die Prinzipien der Messung mittels eines dichroitischen Thermometers erfüllt, wobei insbesondere eine Voraussetzung vollständig erfüllt ist, dass die Abhängigkeit des Abstrahlungsverhaltens bezüglich der Wellenlänge für zwei Strahlungen der Wellenlängen, die nahe beieinander liegen vernachlässigt werden kann, wobei dies zu der Annäherung ε₁ = ε₂ führt. Die vorliegende Messvorrichtung erlaubt somit eine sehr genaue Messung der Temperaturverteilung.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind das erste und zweite Filter vorzugsweise in der Weise angeordnet, dass das erste Filter ein Durchlaufen der Strahlung mit der halben Länge erlaubt, die nicht größer ist als 1/20 der ersten Wellenlänge, während das zweite Filter das Durchlaufen einer Strahlung erlaubt mit einer halben Länge, die nicht größer ist als 1/20 der ersten Wellenlänge. Entsprechend dieser Anordnung weisen die Strahlungen erste und zweite Wellenlängen auf, und es kann unterstellt werden, dass sie einen ausreichend hohen Grad an Monochromatismus ergeben. Daher erfüllt die vorliegende Erfindung die Voraussetzung des Prinzips einer Messung mittels eines dichroitischen Thermometers, wodurch sich eine verbesserte Genauigkeit der Messung der Temperaturverteilung ergibt.

Das in dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendete erste und zweite Filter ist vorzugsweise in der Weise angeordnet, dass die ersten und zweiten Filter jeweils Durchlässigkeitswerte aufweisen, deren Differenz nicht größer als 30% ist. Diese Anordnung gewährleistet eine hohe Empfindlichkeit und ein Signal/Rausch-Verhältnis auch für eine der beiden Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlängen, die einen geringeren Helligkeitswert aufweist, wodurch eine genaue Messung der Temperaturverteilung ermöglicht wird.

Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung des vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Anordnung einer Temperaturverteilungsmessvorrichtung, die gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung aufgebaut ist,

Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung des in Fig. 1 gezeigten ersten und zweiten Filters,

Fig. 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines ersten und zweiten Bildes G₁ und G₂, die auf einer Lichterfassungsoberfläche 26 eines Bilddetektors 32 gemäß der Darstellung in Fig. 1 gebildet werden,

Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines relevanten Teils eines Steuerungsablaufs, der mittels einer in Fig. 1 gezeigten arithmetischen Steuerungseinrichtung durchgeführt wird,

Fig. 5 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung, die in einem Bildelementtemperaturberechnungsschritt gemäß Fig. 4 verwendet wird, zum Erhalten einer Oberflächentemperatur T aus einem Strahlungsintensitätsverhältnis R,

Fig. 6 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung, die in einem Temperaturverteilungsanzeigeschritt gemäß Fig. 4 verwendet wird, zur Bestimmung einer Anzeigefarbe aus der Oberflächentemperatur T,

Fig. 7 ist eine Darstellung entsprechend derjenigen von Fig. 1 zur Veranschaulichung eines optischen Systems einer Temperaturverteilungsmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Erfindung,

Fig. 8 ist eine Darstellung entsprechend derjenigen von Fig. 1 zur Veranschaulichung eines optischen Systems einer Temperaturverteilungsmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, und

Fig. 9 ist eine Darstellung entsprechend derjenigen von Fig. 1 zur Veranschaulichung eines optischen Systems einer Temperaturverteilungsmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.

Es wird nun Bezug auf Fig. 1 genommen, wobei Fig. 1 eine Anordnung einer Temperaturverteilungsmessvorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, in welcher ein Licht von einer Oberfläche eines Objektkörpers 12, der innerhalb eines Feuerungsofens oder eines Aufheizungsofens aufgeheizt wird, mittels eines Halbspiegels (Strahlenbündelteiler) 14 aufgeteilt wird in eine erste Komponente, die entlang eines ersten optischen Pfads 16 verläuft, und einer zweiten Komponente, die entlang eines zweiten optischen Pfads 18 verläuft. Der erste und zweite optische Pfad 16 und 18 werden im Wesentlichen rechtwinklig durch jeweils entsprechende Spiegel 20 und 22 gebogen, so dass sowohl die erste als auch die zweite Komponente auf einen Halbspiegel 24 auftreffen und durch den Halbspiegel 24 reflektiert werden, um auf einen Bilddetektor 32 aufzutreffen, der eine Ladungskopplungseinheit (CCD-Einrichtung) 28 und eine Linseneinrichtung 30 aufweist. Die Ladungskopplungseinheit 28 umfasst eine Lichterfassungsoberfläche 26, auf der eine Vielzahl von photoempfindlichen Elementen angeordnet ist. Die Linseneinrichtung 30 ist vorgesehen zum Fokussieren der Bilder des Objektkörpers 12 auf der Lichterfassungsoberfläche 26.

Der erste optische Pfad 16 umfasst ein erstes Filter 34, das durchlässig ist für eine Strahlung (bzw. eine Strahlung durchlässt) mit beispielsweise einer ersten Wellenlänge (Band) λ₁ (beispielsweise mittlere Wellenlänge von 3.75 µm) und einer halben Länge von etwa 140 nm. Der zweite optische Pfad 18 umfasst ein zweites Filter 36, das durchlässig ist (das Durchlaufen einer Strahlung ermöglicht) mit beispielsweise einer zweiten Wellenlänge (Band) λ₂ (beispielsweise mittlere Wellenlänge von 5.00 µm) und einer halben Länge von etwa 100 nm. Das erste und zweite Filter 34 und 36 sind so genannte "Interferenzfilter", die das Durchlaufen von Strahlung in ausgewählten Wellenlängenbändern (Wellenlängenbereiche) unter Verwendung einer optischen Interferenz ermöglichen.

Die ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂ sind beispielsweise in der folgenden Weise bestimmt. Anfänglich wird entsprechend dem Planck'schen Gesetz eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Strahlungsintensität eines schwarzen Körpers mit einem unteren Grenzwert (von beispielsweise 500°C) eines Bereichs der zu messenden Temperatur erhalten. Im Einzelnen wird dabei eine Kurve L1 gemäß der Darstellung in Fig. 2 erhalten. Sodann wird eine Hintergrundstrahlungsintensität E_BG des Objektkörpers 12 bei einer Raumtemperatur von beispielsweise 25°C gemessen. Danach wird die Wellenlänge λ an einen gewünschten Punkt, der auf einem Bereich der Kennlinie L1 liegt und der größer ist als die Hintergrundstrahlungsintensität E_BG multipliziert mit drei, d. h. der größer ist als ein Wert 3 × E_BG als die erste Wellenlänge λ₁ bestimmt, so dass die für die Messung verwendete Strahlungsintensität ausreichend hoch ist zur Vermeidung eines Fehlers bei der Temperaturmessung. Danach wird die zweite Wellenlänge λ₂ in der Weise bestimmt, dass sie größer oder kleiner ist als die erste Wellenlänge λ₁ um eine vorbestimmte Differenz Δλ, die nicht größer als 1/3 der ersten Wellenlänge λ₁ ist. Während die erste Wellenlänge λ₁ 3.75 µm aufweist, wird beispielsweise die zweite Wellenlänge λ₂ zu 5.00 µm bestimmt, wobei dies größer ist als die erste Wellenlänge λ₁ um 1.25 µm. Diese Art der Bestimmung der ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂ ist geeignet, um eine Annäherungsgleichung (1) zu erfüllen, die das Prinzip einer Messung mit einem dichroitischen Thermometer darstellt, wie dies nachstehend noch beschrieben wird. Dabei ist zu beachten, dass die Differenz Δλ zwischen der ersten und zweiten Wellenlänge λ₁ und λ₂ gleich oder größer als eine halbe Länge gemäß der vorstehenden Beschreibung sein muss, zur Aufrechterhaltung eines hohen Grads an Genauigkeit der Messung der Strahlungsintensität. Für die Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂ zur Aufrechterhaltung der Eigenschaften eines monochromen Lichts müssen die halben Längen gleich oder kleiner als 1/20 der mittleren Wellenlänge sein, beispielsweise gleich oder kleiner als etwa 180 nm. Ferner weisen das erste und zweite Filter 34 und 36 Durchlasswerte auf, deren Differenz 30% oder niedriger ist. Im Falle einer höheren Differenz als 30% wäre die Empfindlichkeit einer der beiden Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂, die einen niedrigeren Helligkeitswert aufweist vermindert, wodurch ein vermindertes Signal/Rausch-Verhältnis des Bilddetektors 32 erreicht wird, wobei dies zu einer entsprechenden Verminderung der Genauigkeit der Anzeige der Temperatur führt.

Somit ist die Temperaturverteilungsmessvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen zum Auswählen der beiden Strahlungen mit der jeweiligen ersten und zweiten Wellenlänge λ₁ und λ₂ aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahlten Licht. Zu diesem Zweck ist das erste Filter 34 durchlässig für die Strahlung mit der ersten Wellenlänge λ₁ und der ersten halben Länge, die nicht größer als 1/20 dieser Wellenlänge ist. Die erste Wellenlänge λ₁ wird gemäß der Strahlungsintensitätskennlinie L1 entsprechend der Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einem unteren Grenzwert des Bereichs der zu messenden Temperatur ausgewählt und innerhalb eines Hochabstrahlungsintensitätsbereichs, in welchem eine Strahlungsintensität ausreichend größer als die Hintergrundstrahlungsintensität E_BG bei einer normalen Raumtemperatur ist. Dem gegenüber ermöglicht das Filter 26 die Durchlässigkeit der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge λ₂ und der halben Länge, die nicht größer als 1/20 dieser Wellenlänge ist. Die zweite Wellenlänge λ₂ wird ausgewählt innerhalb des vorstehend angegebenen Hochstrahlungsintensitätsbereichs in der Weise, dass die zweite Wellenlänge λ₂ unterschiedlich ist zur ersten Wellenlänge λ₁ um eine vorbestimmte Differenz, die nicht größer als 1/3 der ersten Wellenlänge λ₁ und die nicht kleiner als eine Summe der vorstehend angegebenen ersten und zweiten halben Längen ist.

In dem optischen System gemäß Fig. 1 sind Teile des ersten und zweiten optischen Pfads 16 und 18 zwischen dem Halbspiegel 24 und dem Bilddetektor 32 voneinander um einen kleinen Abstand in der Richtung parallel zur Lichterfassungsoberfläche der Ladungskopplungseinheit 28 beabstandet zum Verhindern einer Überlappung des ersten und zweiten Bilds G₁ und G₂, das auf der Lichterfassungsoberfläche 26 erzeugt wird. Dieses Beabstandungsverhältnis der optischen Pfade 16 und 18 wird aufrechterhalten für eine geeignete Ausrichtung (Orientierung) der jeweiligen Spiegel 20 und 22, so dass das erste und zweite Bild G₁ und G₂ der jeweiligen unterschiedlichen Wellenlängen auf der Lichtempfangsoberfläche 26 in voneinander beabstandeter Weise ausgebildet wird. Gemäß der detaillierten Darstellung in Fig. 3 wird das erste Bild G₁ in einer ersten Position B₁ auf der Lichterfassungsoberfläche 26 der Ladungskopplungseinheit 28 des Bildsensors 32 ausgebildet, entsprechend der Strahlung mit der ersten Wellenlänge λ₁, die mittels des ersten Filters 34 aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahlten Licht ausgewählt wird, während das zweite Bild G₂ bei einer zweiten Position B₂ auf der Lichtempfangsoberfläche 26 mittels der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge λ₂ ausgebildet wird, die durch das zweite Filter 36 aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahlten Licht ausgewählt wird, wobei die Anordnung in der Weise vorgesehen ist, dass die erste und zweite Position B₁ und B₂ zueinander beabstandet sind in der Richtung parallel zur Lichterfassungsoberfläche 26, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Durch diese Anordnung erfassen die auf der Lichtempfangsoberfläche 26 angeordneten vielen photoempfindlichen Elemente die Strahlungsintensitätswerte der jeweiligen Bildelemente des ersten Bilds G₁ und die Strahlungsintensitätswerte der jeweiligen Bildelemente des zweiten Bilds G₂ in der Weise, dass die Bildelemente den jeweiligen photoempfindlichen Elementen entsprechen. Die Spiegel 20 und 22, die Halbspiegel 14 und 24 und die Linseneinrichtung 30 wirken zusammen zur Bildung einer optischen Abbildungseinrichtung, die vorgesehen ist, zum Durchführen des ersten und zweiten Wellenlängenauswählschritts des Auswählens der ersten und zweiten Wellenlänge zum gleichzeitigen Ausbilden jeweiliger Bilder des Objektkörpers 12 in jeweiligen Positionen.

Die Arithmetiksteuerungseinheit 40 ist ein Mikrocomputer und umfasst eine Zentraleinheit (CPU), einen Schreib/Lesespeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle (Interface). Die Zentraleinheit wird entsprechend einem in dem Speicher ROM gespeicherten Steuerungsprogramm betrieben zur Verarbeitung von zugeführten Eingangssignalen, insbesondere der Ausgangssignale der auf der Lichtempfangsoberfläche 26 angeordneten vielen photoempfindlichen Elemente, und zum Steuern einer Bildanzeigeeinrichtung 42 zum Anzeigen einer Verteilung der Oberflächentemperatur des Objektkörpers 12.

Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, mit welcher ein relevanter Teil eines Steuerungsablaufs der Arithmetiksteuerungseinheit 40 beschrieben wird. Der Steuerungsablauf beginnt mit Schritt S1 zum Lesen der Ausgangssignale der vielen photoempfindlichen Elemente, die auf der Lichterfassungsoberfläche 26 angeordnet sind, zum Erhalten von Strahlungsintensitätswerten E_1ij bei jeweiligen Bildelementen des ersten Bilds G₁, und Strahlungsintensitätswerten E_2ij bei jeweiligen Bildelementen des zweiten Bilds G₂. Der Ablauf geht sodann zu einem Schritt S2 über, der einem Strahlungsintensitätsverhältnisberechnungsschritt oder der Einrichtung entspricht, zum Berechnen eines Strahlungsintensitätsverhältnisses R_ij (= E_1ji/E_2ij) für jedes Paar entsprechender Bildelemente des ersten und zweiten Bilds G₁ und G₂, die auf der Lichterfassungsoberfläche 26 an den jeweiligen ersten und zweiten Positionen B₁ und B₂ gebildet sind. Das Strahlungsintensitätsverhältnis R_ij ist ein Verhältnis des Strahlungsintensitätswerts E_1ji der ersten Wellenlänge λ₁, die durch das photoempfindliche Element bei jedem Bildelement des ersten Bilds G₁ erfasst wird, zu dem Strahlungsintensitätswert E_2ji der zweiten Wellenlänge λ₂, die mittels des photoempfindlichen Elements bei dem entsprechenden Bildelement des zweiten Bilds G₂ ermittelt wird. Sodann entspricht Schritt S3 einem Bildelementtemperaturberechnungsschritt oder der Einrichtung, und ist vorgesehen zum Durchführen einer Berechnung einer Temperatur T_ij für jedes Bildelement des Bilds des Objektkörpers 12 auf der Basis des berechneten tatsächlichen Strahlungsintensitätsverhältnisses R_ij für jedes Paar der korrespondierenden Bildelemente des ersten und zweiten Bilds G₁ und G₂ entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis der Strahlungsintensität R und der Temperatur T, wie es beispielsweise in Fig. 5 veranschaulicht ist. Diese vorbestimmte Beziehung kennzeichnende Daten werden in dem Speicher ROM gespeichert. Beispielsweise kann die in Fig. 5 gezeigte Beziehung durch die nachfolgende Gleichung 1 dargestellt werden, die eine Annäherungsgleichung ist zum Darstellen der Prinzipien der Messung mit einem dichroitischen Thermometer. Die angegebene Gleichung 1 ermöglicht die Bestimmung der Oberflächentemperatur T des Objektkörpers 12 auf der Basis des Verhältnisses R der Strahlungsintensitätswerte der jeweiligen unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ und λ₂ ohne Verwendung des Abstrahlungsverhaltens (Emissionsvermögen) des Objektkörpers 12. In den nachfolgenden Gleichungen ist die zweite Wellenlänge λ₂ größer als die erste Wellenlänge λ₁, und die Größen "T", "C₁" und "C₂" kennzeichnen jeweils die absolute Temperatur und die erste und zweite Konstante des Planck'schen Strahlungsgesetzes.

Gleichung 1

R = (λ₂

/λ₁

)⁵

exp[(C₂

/T).(1/λ₂

-1/λ₁

)]

Die vorstehende Gleichung 1 wird in der folgenden Weise erhalten. Es ist hierbei bekannt, dass eine Intensität (Energie) Es einer Strahlung mit einer Wellenlänge λ, die von einem Einheitsoberflächenbereich eines Planck'schen Körpers während einer Zeiteinheit abgestrahlt wird, und die Wellenlänge die nachfolgende Gleichung 2 erfüllen, welches die Planck'sche Gleichung ist. Es ist ferner bekannt, dass die folgende Gleichung 3, die die Wien'sche Annäherungsgleichung ist, erfüllt wird, wenn gilt exp(C₂/λT)<<1. Für normale Körper mit grauen Farben wird die folgende Gleichung 4 erhalten durch Umwandeln der Gleichung 3 durch Einsetzen des Emissionsvermögens (Abstrahlungsvermögen) ε. Die nachfolgende Gleichung 5 wird erhalten aus der Gleichung 4 zum Erhalten des Verhältnisses R der Strahlungsintensitätswerte E₁ und E₂ der beiden Wellenlängenwerte λ₁ und λ₂. Liegen die beiden Wellenlängen λ₁ und λ₂ nahe beieinander, dann kann die Abhängigkeit des Emissionsvermögens ε bezüglich der Wellenlänge ignoriert werden, so dass gilt ε₁ = ε₂. Somit wird die vorstehende Gleichung 1 erhalten. In entsprechender Weise kann die Temperatur T der Objektkörper mit unterschiedlichen Emissionsvermögenswerten ε ohne Einfluss auf das Emissionsvermögen erhalten werden.

Gleichung 2

Eb = C₁

/λ⁵

[exp(C₂

/λT) - 1]

Gleichung 3

Eb = C₁

exp(-C₂

/λT)/λ⁵

Gleichung 4

E = ε.C₁

exp(-C₂

/λT)/λ⁵

Gleichung 5

E = (ε₁

/ε₂

) (λ₂

/λ₁

)⁵

exp[(C₂

/T).(1/λ₂

-1/λ₁

)]

Nach der Berechnung der Temperatur T_ij jedes Bildelements des Bilds des Objektkörpers 12 in Schritt S3 gemäß der vorstehenden Beschreibung geht der Steuerungsablauf zu dem Schritt S4 entsprechend einem Temperaturverteilungsanzeigeschritt oder der Einrichtung über zur Anzeige einer Verteilung der Oberflächentemperatur des Objektkörpers 12 auf der Basis der tatsächlichen Temperatur T_ij, die für jedes Bildelement berechnet wurde, und einem vorbestimmten Verhältnis zwischen der Temperatur T und der Anzeigefarbe. Die Daten zur Angabe der vorbestimmten Beziehung werden in dem Speicher ROM gespeichert. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der vorbestimmten Beziehung zwischen der Temperatur T und der Anzeigefarbe. In diesem Fall ist die Verteilung der Oberflächentemperatur des Objektkörpers 12 in unterschiedlichen vorbestimmten Farben dargestellt.

Nachfolgend wird ein Experiment beschrieben, das von den vorliegenden Erfindern durchgeführt wurde, wobei ein in Fig. 1 gezeigtes optisches System verwendet wurde, bei welchem eine Infrarotstrahlungskamera (beispielsweise Modell TH-5401 von NEC Sanei Kabushiki Kaisha, Japan) als Bilddetektor 32 verwendet wird, und die Halbspiegel 14 und 24 sind Halbspiegel für eine Infrarotstrahlung, die 30% der auftreffenden Strahlung reflektieren und 30% der auftreffenden Strahlung durchlassen. Die Spiegel 20 und 22 sind ebene Spiegel BK7 aus Aluminium, und das erste Filter 34 erlaubt das Durchlassen einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 3.75 µm und einer halben Länge von 140 nm, während das zweite Filter 36 das Durchlassen einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 5.00 µm und einer halben Länge von 100 nm erlaubt. Der in dem Experiment verwendete Objektkörper 12 ist ein Aluminiumsubstrat (50 × 50 × 0.8 mm), dessen Oberfläche lokal mit einer schwarzen Farbe bedeckt ist, deren Emissionsvermögen unterschiedlich zu denjenigen des Aluminiumsubstrats ist. Dieser Objektkörper 12 wurde in einem mittleren Bereich eines Wärmeofens (Heizofen) angeordnet, und die Temperatur in dem Wärmeofen wurde von der Raumtemperatur bis auf 700°C mit einer Steigerungsrate von 10°C/min angehoben. Die Verteilung der Oberflächentemperatur auf dem Aluminiumsubstrat wurde gemessen, nachdem die Temperatur des Wärmeofens 500°C erreicht hat und bis zu dem Anstieg auf 700°C. Das Experiment unter den vorstehend angegebenen Bedingungen zeigte eine gleichmäßige Verteilung der Temperatur auf dem Aluminiumsubstrat über der gesamten Oberfläche unabhängig von der Beschichtung mit schwarzer Farbe, die lokal die Oberfläche des Aluminiumsubstrats bedeckt und die ein gegenüber demjenigen des Aluminiumsubstrats unterschiedliches Emissionsvermögen aufweist. Das Experiment ergab einen Reproduktionsfehler von 2°C bei wiederholten Messungen in einem mittleren Teil des Bildschirms der Anzeigeeinrichtung 42.

Eine Vergleichsmessung unter den gleichen vorstehend beschriebenen Bedingungen wurde durchgeführt unter Verwendung eines optischen Vergleichssystems, das entsprechend der Fig. 2 der Druckschrift JP-7-301569 aufgebaut ist. Dieses Experiment ergab eine ungleiche Verteilung der Oberflächentemperatur des Aluminiumsubstrats infolge einer Zeitdifferenz zwischen den Momenten der Erfassung der beiden Bilder entsprechend den jeweiligen Wellenlängen, wobei die Zeitdifferenz dadurch bedingt ist, dass der Spiegel selektiv zur Verwendung der unterschiedlichen Wellenlängen geschwenkt werden muss. Diese Zeitdifferenz bewirkte einen geringen Unterschied zwischen den Bildern auf einem Oberflächenbereich des Aluminiumsubstrats, das mit der schwarzen Farbe bedeckt ist, deren Emissionsvermögen unterschiedlich ist zu demjenigen des Aluminiumsubstrats, und das Bild des anderen Oberflächenbereichs des Aluminiumsubstrats, so dass eine Differenz von etwa 48°C zwischen den Temperaturmessungen der beiden Oberflächenbereiche auftrat. Das Vergleichsexperiment ergab ferner einen Reproduktionsfehler von 15°C bei wiederholten Messungen in einem mittleren Teil des Anzeigebildschirms der Anzeigeeinrichtung 42.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist das vorliegende Ausführungsbeispiel vorgesehen zum Berechnen der Temperatur T_ij des Objektkörpers 12 für jedes Bildelement seines Bilds auf der Basis des Strahlungsintensitätsverhältnisses R_ij für jedes Paar korrespondierender Bildelemente des ersten und zweiten Bilds G₁ und G₂, die erhalten wurden mit den jeweiligen Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂, die aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahlten Licht ausgewählt wurden. Somit wird die Verteilung der Oberflächentemperatur des Objektkörpers 12 auf der Basis der Temperatur T_ij für jedes Bildelement gemessen. Zum Auswählen einer Strahlung mit der ersten Wellenlänge λ₁ aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahlten Licht verwendet das optische System des vorliegenden Ausführungsbeispiels das erste Filter 34, das eine Durchlässigkeit aufweist für die Strahlung mit der ersten Wellenlänge λ₁, die entsprechend der Strahlungsintensitätskennlinie L1 entsprechend der Wellenlänge des schwarzen Körpers bei einen im Wesentlichen niedrigen Grenzwert des Bereichs der zu messenden Temperatur ausgewählt wird, und die innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs liegt, in welchem die Strahlungsintensität höher als die Hintergrundstrahlungsintensität E_BG bei normaler Raumtemperatur ist. Das optische System verwendet ferner das zweite Filter 26, das eine Durchlässigkeit aufweist für die Strahlung mit der zweiten Wellenlänge λ₂, die ausgewählt wurde innerhalb des vorstehend angegebenen Hochstrahlungsintensitätsbereichs, in der Weise, dass die zweite Wellenlänge λ₂ unterschiedlich ist zur ersten Wellenlänge λ₁ um eine vorbestimmte Differenz, die nicht größer als 1/3 der ersten Wellenlänge λ₁ ist und die nicht kleiner als eine Summe der halben Länge Δλ₁ der ersten Wellenlänge λ₁ und einer halben Länge Δλ₂ der zweiten Wellenlänge λ₂ ist. Somit können optische Signale mit ausreichend hohen Strahlungsintensitäten erhalten werden, so dass sich ein entsprechend hohes Signal/Rausch- Verhältnis des Bilddetektors 32 ergibt. Ferner sind die ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂ nahe beieinander, so dass die Prinzipien der Messung des vorliegenden optischen Systems vollständig den Prinzipien einer Messung eines dichroitischen Thermometers entspricht, und insbesondere vollständig eine Voraussetzung erfüllt, dass die Abhängigkeit des Emissionsvermögens von der Wellenlänge bei zwei Strahlungen vernachlässigt werden kann, deren Wellenlänge nahe beieinander liegen, so dass die Annäherung ε₁ = ε₂ gilt. Die vorliegende Messvorrichtung erlaubt damit sehr genaue Messungen der Temperaturverteilung.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ferner in der Weise vorgesehen, dass das erste Filter 34 die Durchlässigkeit einer Strahlung erlaubt mit der halben Länge Δλ₁, die nicht größer ist als 1/20 der ersten Wellenlänge λ₁, während das zweite Filter 36 eine Strahlung durchlässt mit der halben Länge Δλ₂, die nicht größer als 1/20 der zweiten Wellenlänge λ₂ ist, so dass von diesen Strahlungen mit der ersten und zweiten Wellenlänge λ₁ und λ₂ angenommen wird, dass sie ein ausreichend hohes Maß an Monochromatismus aufweisen. Somit erfüllt das vorliegende Ausführungsbeispiel die Voraussetzung des Prinzips der Messung mittels eines dichroitischen Thermometers, wodurch sich eine verbesserte Genauigkeit der Messung der Temperaturverteilung ergibt.

Ferner ist das vorliegende Ausführungsbeispiel in der Weise vorgesehen, dass das erste und zweite Filter 34 und 36 Durchlasswerte aufweisen, deren Differenz nicht größer als 30% ist, so dass das vorliegende optische System eine hohe Empfindlichkeit und ein Signal/Rausch-Verhältnis aufweist auch wenn eine der beiden Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂ einen niedrigen Helligkeitswert aufweist, wodurch eine genaue Messung der Temperaturverteilung möglich wird.

Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel verwendet zur Bezeichnung der entsprechenden Elemente, wobei diese nicht nochmals beschrieben werden.

Die Darstellung in Fig. 7 zeigt schematisch eine Temperaturverteilungsmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist ein Paar von Spiegeln 50 und 52 in der Weise angeordnet, dass jeder dieser Spiegel 50 und 52 um ein festes Ende zwischen einer ersten Position, die mittels einer gestrichelten Linie angegeben ist, und einer zweiten Position geschwenkt werden kann, die mittels einer durchgezogenen Linie veranschaulicht ist. Werden die Spiegel 50 und 52 in die erste Position gebracht, dann trifft ein von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahltes Licht auf den Bilddetektor 32 entlang des ersten optischen Pfads 16. Werden die Spiegel 50 und 52 in ihre zweite Position gebracht, dann trifft das Licht auf den Bilddetektor 32 entlang des zweiten optischen Pfads 18. In gleicher Weise wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel weist der erste optische Pfad 16 das erste Filter 34 auf, während der zweite optische Pfad 18 das zweite Filter 36 aufweist, so dass die ersten und zweiten Bilder G₁ und G₂ durch die jeweiligen zwei Strahlungen mit den jeweiligen ersten und zweiten Wellenlänge λ₁ und λ₂ mit einer vorbestimmten Zeitdifferenz gebildet werden. Somit weist das vorliegende Ausführungsbeispiel den gleichen Vorteil wie das vorhergehende Ausführungsbeispiel auf.

In einem Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in Fig. 8 ist eine drehbare Scheibe (rotierende Scheibe) 56 in der Weise angeordnet, dass die drehbare Scheibe 56 mittels eines Elektromotors 54 um eine Achse gedreht wird, die parallel zu einem optischen Pfad liegt, der sich zwischen dem Objektkörper 12 und dem Bilddetektor 32 erstreckt, und der bezüglich des optischen Pfads in einer radialen Richtung der drehbaren Scheibe 56 um einen geeigneten Abstand versetzt ist. Die drehbare Scheibe 56 trägt das erste Filter 34 und das zweite Filter 36 in der Weise, dass das erste Filter und zweite Filter 34 und 36 selektiv bezüglich des optischen Pfads durch die Drehung der drehbaren Scheibe 56 mittels des Elektromotors 54 ausgerichtet werden. Das erste Bild G₁ wird durch die Drehung mit der ersten Wellenlänge λ₁ ausgebildet, die durch das erste Filter 34 durchgelassen wird, und das zweite Bild G₂ wird durch die Drehung mit der zweiten Wellenlänge λ₂ gebildet, die das zweite Filter 36 durchlaufen hat. Diese ersten und zweiten Bilder G₁ und G₂ werden nacheinander erhalten durch Drehen der drehbaren Scheibe 56. Somit weist das vorliegende Ausführungsbeispiel die gleichen Vorteile wie die vorhergehenden Ausführungsbeispiele auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird somit angenommen, dass der erste optische Pfad 16 und der zweite optische Pfad 18 selektiv zwischen der drehbaren Scheibe 56 und dem Bilddetektor 32 ausgebildet werden.

In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 wird das von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahlte Licht mittels eines Halbspiegels 14 in eine erste Komponente, die entlang des ersten optischen Pfads 16 Verläuft, und eine zweite Komponente, die entlang des zweiten optischen Pfads 18 verläuft, aufgeteilt. Der erste optische Pfad 16 ist mit einem ersten Filter 34 ausgestattet, und die erste Komponente, die das erste Filter 34 durchlaufen hat, trifft auf den Bilddetektor 32. Andererseits ist der zweite optische Pfad 16 mit dem zweiten Filter 36 ausgestattet, und die zweite Komponente, die das zweite Filter 36 durchlaufen hat, trifft auf einen anderen Bilddetektor 32'. Das erste und zweite Filter 34 und 36 können jeweils in den entsprechenden Bilddetektoren 32 und 32' enthalten sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ebenfalls das erste Bild G₁ mit der Strahlung mit der ersten Wellenlänge λ₁ gebildet, die ausgewählt wird aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers 12 abgestrahlten Lichts, als Ergebnis des Durchlassens des Lichts durch das erste Filter 34, und gleichzeitig wird das zweite Bild G₂ mit der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge λ₂ gebildet, die ausgewählt wird aus dem Licht des Objektkörpers 12 als Ergebnis des Durchlassens des Lichts durch das zweite Filter 36. Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist bei Experimenten das Ergebnis auf, wie es in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erhalten wurde.

Während die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben wurden ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch in anderer Weise ausgeführt und gestaltet werden kann.

In den veranschaulichten Ausführungsbeispielen werden die ersten und zweiten Wellenlängen λ₁ und λ₂ ausgewählt entsprechend der Strahlungsintensitätskennlinie L1 gemäß Fig. 2 entsprechend der Wellenlänge des schwarzen Körpers mit einem unteren Grenzwert des Bereichs der zu messenden Temperatur und die innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs liegt, in welchem die Strahlungsintensität zumindest dreimal die Hintergrundstrahlungsintensität E_BG bei einer normalen Raumtemperatur ist. Die Strahlungsintensität muss jedoch nicht dreimal die Hintergrundstrahlungsintensität EBG sein, da die Prinzipien der vorliegenden Erfindung erfüllt sind, solange die Strahlungsintensität ausreichend größer als die Hintergrundstrahlungsintensität E_BG bei der normalen Raumtemperatur ist.

In den veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist die halbe Länge Δλ₁ der ersten Wellenlänge λ₁ gleich oder kleiner als 1/20 der ersten Wellenlänge λ₁, und die halbe Länge Δλ₂ der zweiten Wellenlänge λ₂ ist gleich oder kleiner als 1/20 der zweiten Wellenlänge λ₂. Die halben Längen müssen jedoch nicht gleich oder kleiner als 1/20 der Wellenlängenwerte sein, sondern können auch geringfügig größer als 1/20 der Wellenlängenwerte entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung sein.

In den veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist eine Differenz der Durchlässigkeitswerte des ersten und zweiten Filters 34 und 36 gleich oder kleiner als 30%. Die Differenz muss jedoch nicht gleich oder kleiner als 30% sein, sondern kann auch geringfügig größer als 30% in Verbindung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung sein.

Obwohl die Oberflächentemperatur des Objektkörpers 12 in unterschiedlichen Farben in Schritt S4 gemäß Fig. 4 angegeben ist, kann die Oberflächentemperatur in einer anderen Weise, beispielsweise mittels Konturenlinien (Höhenlinien) oder in unterschiedlichen Dichtewerten angegeben sein.

Während der Bilddetektor 32 und 32' zur Verwendung in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen eine CCD- Einrichtung (Ladungskopplungseinrichtung, Charge Coupled Device) 28 mit der Lichterfassungsoberfläche 26 verwendet, kann der Bilddetektor auch andere Lichtempfangselemente wie eine Farbbildröhre aufweisen.

Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung für den Fachmann in unterschiedlichen Varianten, Änderungen und Verbesserungen verwirklicht werden kann, in Verbindung mit der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschrieben wurde.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Oberflächentemperatur eines Objektkörpers 12 durch Berechnen einer Temperatur für jedes Bildelement eines Bilds des Objektkörpers auf der Basis eines Strahlungsintensitätsverhältnisses für jedes Paar entsprechender Bildelemente eines ersten und zweiten Bilds, die erhalten werden bezüglich Strahlungen mit jeweiligen ersten und zweiten Wellenlängen, die ausgewählt werden aus einem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht durch ein erstes Filter 34, das eine Durchlässigkeit für eine Strahlung mit der ersten Wellenlänge aufweist, die ausgewählt wird gemäß einer Strahlungsintensitätskennlinie entsprechend einer Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einem niedrigen Grenzwert einer zu messenden Temperatur, und die innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs liegt, in welchem die Strahlungsintensität größer als eine Strahlungsintensität bei einer normalen Raumtemperatur ist, und einem zweiten Filter 36, das eine Durchlässigkeit aufweist für eine Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, die ausgewählt wird innerhalb des Hochstrahlungsintensitätsbereichs in der Weise, dass die zweite Wellenlänge unterschiedlich ist zur ersten Wellenlänge um eine vorbestimmte Differenz, die nicht größer als 1/3 der ersten Wellenlänge ist und die nicht kleiner als die Summe der halben Längen der ersten und zweiten Wellenlängen ist.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Oberflächentemperatur eines Objektkörpers (12) durch Berechnen einer Temperatur des Objektkörpers für jedes Bildelement seines Bilds auf der Basis eines Strahlungsintensitätsverhältnisses jedes Paars korrespondierender Bildelemente eines ersten und zweiten Bilds, die erhalten werden bezüglich jeweiliger Strahlungen mit unterschiedlichen ersten und zweiten Wellenlängen und die ausgewählt werden aus einem von der Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
einen ersten Wellenlängenauswählschritt zum Auswählen einer Strahlung mit der ersten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers (12) abgestrahlten Licht unter Verwendung eines ersten Filters (34), das durchlässig ist für eine Strahlung mit der ersten Wellenlänge, die gemäß einer Abstrahlungsintensitätskennlinie entsprechend einer Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einer oberen Grenze eines Bereichs der zu messenden Temperatur ausgewählt wird, und die sich innerhalb eines Hochstrahlungsintensitäts bereichs befindet, in welchem die Strahlungsintensität höher ist als eine Strahlungsintensität bei einer normalen Raumtemperatur, und
einen zweiten Wellenlängenauswählschritt zum Auswählen der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers (12) abgestrahlten Licht, unter Verwendung eines zweiten Filters (36), das durchlässig ist für eine Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, die ausgewählt wird in dem Hochstrahlungsintensitätsbereich in der Weise, dass die zweite Wellenlänge zur ersten Wellenlänge um eine vorbestimmte Differenz unterschiedlich ist, die nicht größer ist als 1/3 der ersten Wellenlänge und die nicht kleiner ist als die Summe einer halben Länge der ersten Wellenlänge und einer halben Länge der zweiten Wellenlänge.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Filter (34) das Durchlassen einer Strahlung erlaubt mit einer halben Länge, die nicht größer als 1/20 der ersten Wellenlänge ist, während das zweite Filter (36) das Durchlassen einer Strahlung erlaubt mit einer halben Länge, die nicht größer als 1/20 der ersten Wellenlänge ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Filter (34, 36) Durchlasswerte aufweisen, deren Differenz nicht größer als 30% ist.

4. Vorrichtung zum Messen einer Oberflächentemperatur eines Objektkörpers (12) durch Berechnen einer Temperatur des Objektkörpers für jedes Bildelement seines Bilds auf der Basis eines Strahlungsintensitätsverhältnisses jedes Paars korrespondierender Bildelemente eines ersten und eines zweiten Bilds, die erhalten werden bezüglich Strahlungen mit jeweiligen ersten und zweiten Wellenlängen und die ausgewählt werden aus einem von einer Oberfläche des Objektkörpers abgestrahlten Licht, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:
ein erstes Filter (34) zum Auswählen einer Strahlung mit der ersten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers (12) abgestrahlten Licht, wobei das erste Filter durchlässig ist für eine Strahlung mit der ersten Wellenlänge, die ausgewählt wird gemäß einer Strahlungsintensitätskennlinie entsprechend einer Wellenlänge eines schwarzen Körpers mit einem unteren Grenzwert eines Bereichs der zu messenden Temperatur, und die innerhalb eines Hochstrahlungsintensitätsbereichs liegt, in welchem die Strahlungsintensität höher ist als eine Strahlungsintensität bei einer normalen Raumtemperatur, und
ein zweites Filter (36) zum Auswählen der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge aus dem von der Oberfläche des Objektkörpers (12) abgestrahlten Licht, wobei das zweite Filter durchlässig ist für eine Strahlung mit der zweiten Wellenlänge, die ausgewählt wird innerhalb des Hochstrahlungsintensitätsbereichs in der Weise, dass die zweite Wellenlänge zur ersten Wellenlänge um eine vorbestimmte Differenz unterschiedlich ist, die nicht größer ist als 1/3 der ersten Wellenlänge und die nicht kleiner ist als die Summe einer halben Länge der ersten Wellenlänge und einer halben Länge der zweiten Wellenlänge.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Filter (34) eine Strahlung durchlässt mit einer halben Länge, die nicht größer ist als 1/20 der ersten Wellenlänge, während das zweite Filter (36) das Durchlassen einer Strahlung erlaubt mit einer halben Länge, die nicht größer ist als 1/20 der ersten Wellenlänge.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das erste und zweite Filter (34, 36) Durchlasswerte aufweisen, deren Differenz nicht größer als 30% ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner mit:
einem ersten Halbspiegel (14) zum Aufteilen des von der Oberfläche des Objektkörpers (12) abgestrahlten Licht in zwei Komponenten, die entlang eines jeweiligen ersten und zweiten optischen Pfads (16, 18) verlaufen, und wobei der erste und zweite optische Pfad (16, 18) jeweils das erste und zweite Filter (34, 36) aufweisen,
einen zweiten Halbspiegel (24), der vorgesehen ist zum Empfangen der Strahlungen mit der ersten und zweiten Wellenlänge von den ersten und zweiten Filter, und
einen Bilddetektor (32) einschließlich einer Vielzahl photoempfindlicher Elemente (28), die betreibbar sind in Reaktion auf die Strahlungen mit der ersten und zweiten Wellenlänge zur Erzeugung zweier Bilder des Objektkörpers auf der Basis der jeweiligen Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlänge in der Weise, dass die beiden Bilder zueinander beabstandet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner mit:
einem Paar von Spiegeln (50, 52), von denen jeder beweglich ist zwischen einer ersten Position, in der das von der Oberfläche des Objektkörpers (12) abgestrahlte Licht entlang eines ersten, das erste Filter (34) aufweisenden Pfads (16) verläuft, und einer zweiten Position, in welcher ein entsprechender des Paars von Spiegeln das Licht in der Weise reflektiert, dass das Licht entlang eines zweiten, das zweite Filter (36) aufweisenden optischen Pfads (28) verläuft, und
einem Bilddetektor (32) einschließlich einer Vielzahl photoempfindlicher Elemente (28), die betreibbar sind in Reaktion auf die Strahlung der ersten und zweiten Wellenlänge zur Erzeugung zweier Bilder des Objektkörpers auf der Basis der jeweiligen Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlänge in der Weise, dass die beiden Bilder zueinander beabstandet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner mit:
einer drehbaren Scheibe (56), die das erste und zweite darauf angeordnete Filter (34, 36) trägt und die drehbar ist um eine Achse parallel zu einem optischen Pfad (16, 18), der sich von dem Objektkörper (12) erstreckt, wobei das erste und zweite Filter auf der drehbaren Scheibe in der Weise angeordnet sind, dass das erste und zweite Filter (34, 36) selektiv zu dem optischen Pfad durch die Drehung der drehbaren Scheibe ausgerichtet werden,
einem Elektromotor (54), der betreibbar ist zum Drehen der drehbaren Scheibe, und
einem Bilddetektor (32) einschließlich einer Vielzahl photoempfindlicher Elemente (28), die betreibbar sind in Reaktion auf die Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlänge zur Erzeugung zweier Bilder des Objektkörpers auf der Basis der jeweiligen Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlänge in der Weise, dass die beiden Bilder zueinander beabstandet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner mit:
einem Halbspiegel (14) zum Aufteilen des von der Oberfläche des Objektkörpers (12) abgestrahlten Lichts in zwei Komponenten, die entlang des jeweiligen ersten und zweiten, das jeweilige erste und zweite Filter (34, 36) aufweisenden optischen Pfads (16, 18) verlaufen, und
einem Paar von Bilddetektoren (32, 32'), die vorgesehen sind zum Empfangen der jeweiligen Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlänge, wobei jeder des Paars von Bilddetektoren eine Vielzahl photoempfindlicher Elemente (28) aufweist, die betreibbar sind in Reaktion auf die entsprechende der Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlängen auf ein Bild des Objektkörpers auf der Basis der entsprechenden Strahlung.