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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, insbesondere ein Kommunikationsgerät, mit einem Strahlungssensor
zur Erfassung der Umgebungstemperatur.
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Oft
ist es erforderlich oder es wird gewünscht, eine Temperaturmessung
mit einfachen Mitteln vornehmen zu können. Bisher ist dies beispielsweise
schon mittels eines Mobiltelefons mit einem integrierten Temperatursensor
möglich.
In einem Mobiltelefon sind bereits eine Vielzahl von Temperatursensoren
integriert, um an einzelnen Punkten des Mobiltelefons die Temperatur
zu überwachen:
So sind zumeist in der Nähe
des Akkus, von elektronischen Baugruppen, der Anzeigeeinrichtung
oder des VCO (Voltage Controlled Oszillator) solche Temperatursensoren
angebracht, da in diesen "kritischen
Bereichen" beispielsweise
beim VCO die Regelspannung in Abhängigkeit von der Temperatur
geregelt werden muss.
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Als
Temperatursensoren werden zumeist Materialien verwendet, deren Widerstand
eine starke Temperaturabhängigkeit
aufweist; insbesondere werden sogenannte "NTC-Materialien" verwendet (NTC: Negative Temperature
Coefficient). Diese Temperatursensoren sind thermisch gekoppelt
an den kritischen Bereichen angebracht, um Temperaturänderungen
im Gerät
Rechnung tragen zu können.
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Allerdings
eignen sich derartige Temperatursensoren nicht zur Messung der Umgebungstemperatur,
da bei ihnen wie gesagt eine starke Kopplung mit dem Mobiltelefon
vorliegen muss.
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Ausgehend
von diesen Stand ist es Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches
Gerät anzugeben, mittels
dem die Umgebungstemperatur gemessen werden kann, ohne dass diese
Messung von der Temperatur des elektrischen Geräts selbst beeinflusst wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche 1 und
10 gelöst,
vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung
ist für
ein elektrisches Gerät
eine Kamera zum Aufnehmen von Bildern vorgesehen. Ein Bild kann
hierbei in eine Vielzahl von Bilderfassungsbereichen unterteilt
werden. Beispielsweise kann ein Bilderfassungsbereich der Zentralbereich
des zu erfassenden Bildes sein. Die Begrenzungen des Bildes sind
durch einen Kamera-Öffungswinkel
bedingt, welcher beispielsweise durch die Optik und Art der Kamera,
beispielsweise die Größe eines
CCD (Charged Coupled Device)- oder CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Sensors zur Bild-Erfassung,
vorgegeben wird.
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Weiterhin
ist an dem elektrischen Gerät
ein Strahlungssensor vorgesehen, mit dem Wärmestrahlung innerhalb eines
Messfeldes oder Messflecks erfasst werden kann. Die Größe des Messfeldes
ist hierbei durch den Strahlungssensor, insbesondere durch den Strahlungssensor-Öffnungswinkel
bedingt. Dieser kann durch die Geometrie bedingt sein. Wird dieser
Strahlungssensor-Öffnungswinkel
als ein Raumwinkelelement dargestellt, so ist es vorgesehen, dass
die Mittelachse des Strahlungssensor-Öffnungswinkels
auf einen vorbestimmten Bild-Erfassungsbereich der Kamera ausgerichtet
ist, vorzugsweise liegen die Mittelachsen des Strahlungssensor-Öffnungswinkel
und des Kamera-Öffnungswinkels
parallel.
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Weiterhin
weist das elektrische Gerät
eine Anzeigeeinheit auf, auf der das mit der Kamera aufgenommene
Bild und auch das Messfeld darstellbar sind. Um Bild und Messfeld
maßstabsgetreu
darzustellen, ist das Verhältnis
Strahlungssensor-Öffnungswinkel
zu Kamera-Öffnungswinkel
bekannt. Beispielsweise ist bei einem Festbrennweiten-Kameraobjektiv
dieses Verhältnis
konstruktionsbedingt konstant, bei einem Zoomobjektiv kann das Verhältnis zwischen
den beiden ebenfalls kon struktionsbedingten Werten in den Endstellungen
rechnerisch aus der aktuell eingestellten Brennweite ermittelt werden.
Der Abstand des Messobjektes von der Kamera hat dabei keinen Einfluß auf die
im Bild dargestellte Größe des Messflecks.
Durch die Darstellung des Messflecks auf der Anzeigeeinheit ist
es für
den Benutzer leicht feststellbar von welchem Objekt im Bild augenblicklich
die Temperatur erfasst wird. Folglich kann eine hinsichtlich der
Präzision
bei der örtlichen
auflösung
verbesserte Messung durchgeführt werden.
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Als
Strahlungssensor zur Temperaturerfassung eignet sich insbesondere
ein Pyrometer. Diese Strahlungssensoren sind leicht handhabbar,
robust und weisen inzwischen geringe Leistungsaufnahmen auf, so
dass die Temperatur mit einfachen Mitteln und schnell bestimmt werden
kann.
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Mit
einem so ausgestalteten elektrischen Gerät lässt sich die Temperatur auch
eines ausgedehnten Objekts erfassen. Dazu wird das Messfeld, innerhalb
dessen der Strahlungssensor Strahlung erfasst, über das Objekt bewegt. Zur
Kontrolle durch den Benutzer, welche Teilbereiche des Objekts bereits
erfasst sind, wird das Objekt und eventuell seine Umgebung durch
die Kamera als Bild erfasst und auf einer Anzeigeeinheit in einem
entsprechenden Masststab dargestellt. Die Größe des Messfeldes in Bezug
auf das Bild wird berechnet und der dem Messfeld zugeordnete Bildbereich
wird optisch gekennzeichnet, beispielsweise durch eine Farbänderung,
auf der Anzeigeeinheit dargestellt. So lässt sich kontrollieren, von
welchem Objekt die Temperatur gemessen wird. Insbesondere behält ein Benutzer bei
der Temperaturmessung an ausgedehnten Objekten den Überblick,
in welchen Bereichen des Objekts bereits gemessen wurde.
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Es
kann nun der Fall auftreten, dass sich das Messfeld über die
gesamte Anzeigeeinheit erstreckt. Dann ist nach Durchführung der
Messung, also der Strahlungserfassung innerhalb des Messfeldes,
der Vorgang abgeschlossen.
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Falls
das Messfeld nur einen Teilbereich des Bildes bzw. der Anzeigeeinheit
einnimmt, wird nach Durchführung
der Messung der dem Messfeld zugeordnete Bildbereich optisch verändert und
das Messfeld auf eine andere Position bezüglich des Objektes bzw. auf
einen anderen Bildbereich des auf der Anzeigeeinheit dargestellten
Bildes gebracht.
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Zur
Darstellung des Messfeldes auf der Anzeigeeinheit ist es vorteilhaft,
wenn die optische Achse der Kamera und des Strahlungssensors parallel verlaufen.
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Zweckmäßigerweise
weist das elektrische Gerät
eine Speichereinheit auf, in der Messdaten, welche mit dem Strahlungssensor
für das
Messfeld aufgenommen wurden, zu speichern sind. Zur Speicherung
kann die Temperaturstrahlung beispielsweise in elektrische Signale
umgewandelt werden.
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Der
Vorteil an der Verwendung eines strahlungssensitiven Sensors zur
Temperaturerfassung liegt darin, dass damit die Temperatur eines
Objektes gemessen werden kann, ohne durch die Temperatur des elektrischen
Geräts
wesentlich beeinflusst zu werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von ausgewählten Beispielen näher erläutert, welche
teilweise auch in Figuren dargestellt sind. Es zeigen:
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1: eine Schemazeichnung
von Komponenten eines elektrischen Geräts;
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2: eine Schemazeichnung
zur Bestimmung des Messflecks im Verhältnis zum Kamera-Bild;
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3: die Ansicht des Displays
bei der Durchführung
einer Temperaturkartografie.
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In 1 sind schematisch Komponenten
eines elektrischen Geräts
EA zu sehen, mit dem eine Umgebungstemperaturmessung durchgeführt werden
kann. Dazu weist das elektrische Gerät EA zunächst eine Kamera C auf, mit
der ein Bild, beispielsweise eines Objekt ggf. in einer Umgebung,
aufgenommen werden kann. Diese Kamera kann beispielsweise CCD (Charged
Coupled Device) oder CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Erfassungselemente
aufweisen. Die Kamera weist einen gewissen Öffnungswinkel auf, durch den das
mit der Kamera erfassbare Bild begrenzt wird.
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Weiterhin
weist das elektrische Gerät
ein Display bzw. eine Anzeigeeinrichtung D auf, auf der das mit
der Kamera erfasste Bild dargestellt werden kann.
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Zur
Messung der Temperaturstrahlung oder Wärmestrahlung ist weiterhin
ein Strahlungssensor RS, beispielsweise ein Pyrometer, vorgesehen.
Pyrometer messen die Strahlung eines Körpers, dessen Temperatur bestimmt
werden soll, in einem schmalen Wellenlängenbereich des unsichtbaren
Spektrums, meistens im infraroten Bereich, nach einem photometrischen
Verfahren, bei dem beispielsweise durch eine Linse eine strahlende
Fläche
in einer Ebene abgebildet wird, in der sich der Faden einer Glühlampe befindet.
Die Stromstärke
durch den Faden wird durch Änderung
des Widerstands R, dass der gekrümmte
Teil des Glühfadens
auf dem Bild der zu photometrierenden Fläche verschwindet, wenn man diesen
gebogenen Teil des Glühfadens
durch ein Okular unter Zwischenschaltung eines Rotfilters betrachtet.
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Im
Allgemeinen sind die glühenden
Körper, deren
Temperatur mit dem Pyrometer gemessen wird, nichtschwarze Strahler,
weshalb die Messung auf einem Absorptionsgrad kleiner als 1 korrigiert werden
muss. Über
die Planck'schen
Strahlungsgesetze kann die Temperatur der zu photometrierenden Fläche ermittelt
werden. Die Ausmaße
der zu photometrierenden Fläche
sind durch einen Sensor-Öffnungswinkel
des Strahlungssensors beschränkt.
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Pyrometrie
und photometrische Messungen sowie weitere dabei vorzunehmende Korrekturen
wie etwa die Umrechnung von Farbtemperatur in wahre Temperatur sind
bekannt und werden deshalb hier nicht weiter ausgeführt.
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Weiterhin
weist das elektrische Gerät
EA eine Prozessoreinheit CPU auf mit der ein entsprechendes Bild
aufbereitet werden kann. Es kann weiterhin eine Speichereinheit
SU zum Abspeichern von Messdaten vorgesehen sein.
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Die
Größe des Messflecks
entspricht beim Festbrennweiten-Objektiv
einer konstanten Fläche des
Bildes, beim Zoom-Objektiv,
bei dem der Kamera-Öffungswinkel
variabel ist, muß der
Messfleck einen umso größeren Anteil
des Bildes einnehmen, je größer die
aktuell eingestellte Brennweite bzw. desto kleiner der Kameraöffnngswinkel
ist. Dieser Anteil läßt sich
aus den beiden konstruktionsbedingten Werten in den Endstellungen
des Zoom-Objektivs rechnerisch aus der aktuell eingestellten Brennweite ermitteln.
Der Zusammenhang zwischen Kamera-Öffungswinkel, Sensor-Öffungswinkel,
Bildgröße und Sensorfelckgröße wird
nun in 2 erläutert.
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In 2 ist schematisch dargestellt,
wie sich die Größe eines
Objekts bzw. eines Bildes mit einem Objekt aus dem Sensor-Öffnungswinkel
bzw. dem Kamera-Öffnungswinkel
berechnen lässt.
Einfachheitshalber sei der Strahlungssensor RS bzw. die Kamera C
als punktförmiges
Objekt betrachtet. Bei einer flächigen
Ausdehnung von Kamera bzw. Sensor kann der jeweilige Öffnungswinkel
unter Einbeziehung dieser flächigen
Ausdehung definiert werden, beispielsweise indem man sich Kamera
bzw. Sensor bereits entfernt von dem Punkt feststellt, in dem die Strahlen
zusammen laufen. In 2 würde das
z.B. einem Schnitt E entsprechen.
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Durch
die Geometrie der sensitiven Fläche des
Strahlungssensors RS sowie die sich daran anschließende Optik
ergibt sich der Winkel αRS bzw. die Kamera C mitentsprechender Optik
ist ein Öffnungswinkel αC definiert
Dabei ist das Verhältnis αRS/αC gleich
dem Verhältnis
hRS/hC, unabhängig vom
Abstand Kamera zum Messobjekt. Bei Zoom-Objektiven kann der Kamera-Öffungswinkel verändert werden,
was einer Änderung
der Brennweite entspricht. Der Kamera-Öffnungswinkel kann in Zwischenstellungen
de Zoom-Objektivs aus den Kamera-Öffnungswinkeln in den beiden
Endstellungen beispielsweise linear interpoliert werden.
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In 3 bestehend aus 3a und 3b ist die Darstellung auf einem Display
oder einer Anzeigeeinheit D zu sehen. Das auf dem Display D dargestellte
Bild ist in mehrere Bildbereiche BB unterteilt. Die Anzahl der Bildbereiche
kann festgelegt sein oder variabel einstellbar. Kriterien für die Anzahl
können
der Abstand zum auf dem Bild dargestellten Objekt sein, die Ausgestaltung
des Strahlungssensors, etc.
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Durch
eine entsprechende Ausrichtung von der optischen Achse der Kamera
C und der optischen Achse des Strahlungssensors RS kann eine definierte
Zuordnung von Bildbereichen und Messfeldern erreicht werden. Besonders
vorteilhaft ist eine parallele Ausrichtung der Mittelachsen von
Kamera- und Sensoröffnungswinkel.
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Zunächst falle
nun, wie in 3a gezeigt, das
Messfeld mit einem ersten Bildbereich BB zusammen (1).
Wie bereits ausgeführt
werden zur massstabsgetreuen Darstellung auf der Anzeigeeinheit
auch die Größenverhältnisse
des mit der Kamera aufgenommen Bildes und die Größe des Messfeldes ermittelt.
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In
diesem ersten Bildbereich 1 erfasst der Strahlungssensor
RS nun die Temperaturstrahlung des tatsächlichen Objekts und gegebenenfalls
seiner Umgebung. Damit der Benutzer des elektrischen Geräts weiß, in welchem
Bildbereich derzeit die Strahlungserfassung durchgeführt wird,
ist dieser Bildbereich auf dem Display D optisch gekennzeichnet. Nach
Durchführung
der Strahlungserfassung werden die Messdaten abgespeichert und der
bereits ausgemessene Bildbereich BB, 1 auf dem Display
D gekennzeichnet, z.B. optisch abgehoben bzw. in einer der gemessenen
Temperatur entsprechenden Farbe dargestellt, wie in 3b durch Schraffur angedeutet. Die Temperaturerfassung
findet nun in einem weiteren Bildbereich 2 statt, wiederum
ist der zu vermessende weitere Bildbereich 2 optisch gekennzeichnet.
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Auf
diese Weise lässt
sich über
die erfasste Strahlung die Temperatur eines Objekts auf Grundlage
der Planck'schen
Gesetze ermitteln.
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Die
Ausrichtung des Strahlungssensors RS von einem ersten Bildbereich 1 zu
einem zweiten Bildbereich 2 kann durch den Benutzer manuell
erfolgen, oder, wenn höhere
Präzision
erwünscht
ist oder kleine Bildbereiche ausgewählt wurden, durch eine Veränderung
der Mittelachse des Öffnungswinkels des
Strahlungssensors RS erfolgen. Diese Veränderung der Mittelachse des
Sensors kann mechanisch erfolgen.
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Zur
Abspeicherung der Messdaten kann die erfasste Strahlung in dem Messfeld
beispielsweise in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, dessen Größe dann
abgespeichert wird. Alternativ kann bereits eine Zuordnung der Strahlung,
insbesondere ihrer spektralen Verteilung in einem Frequenzfenster, zu
einer Temperatur erfolgt sein und der Temperaturwert abgespeichert
werden.
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Natürlich kann
es für
einzelne Anwendungen auch ausreichend sein, nur einen einzigen Bildbereich
zu definieren. Dies ist dann der Fall, wenn es sich beispielsweise
um bildfüllende
Objekte handelt oder die Temperatur eines verhältnismäßig kleinen Teiles bestimmt
werden soll. Es wird nämlich
mittels des Strahlungssensors die mittlere Temperatur des Messfeldes
bestimmt .
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Die
Bildbereiche können
auch eine andere geometrische Form aufweisen als in 3 dargestellt, beispielsweise kreisförmig sein.
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Die
Einteilung in Bildbereiche hat folgenden Zweck: Wird nun die Temperatur
von vielen Objekten, welche sich auf dem Bild befinden, ermittelt
und variieren die Temperaturen der einzelnen Objekte, so ist die
mittlere Temperatur wenig aussagekräftig. Aussagekräftigere
Messergebnisse, nämlich
solche, bei denen einer Temperatur auch ein Objekt, das sich in einem
Bildbereich BB befindet, zuordenbar ist, werden durch eine an die
Objekte angepasste Aufteilung in Bildbereiche erzielt.
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Weiterhin
kann beim Übergang
von einem Messfeld zum nächsten
ein Überlapp
vorgesehen sein, um auch in den Randbereichen z. B. eines Bildbereichs
zuverlässige
Messwerte zu erhalten.
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Ein
Messfeld kann sich weiterhin in einem, an einem und um einen Bildbereich
angeordnet befinden und größer, kleiner
oder deckungsgleich mit diesem sein.
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- BB
- Bildbereich
- C
- Kamera
- CPU
- Prozessoreinheit
- d
- Abstand
- D
- Display,
Anzeigevorrichtung
- EA
- Elektrisches
Gerät
- h
- Höhe des Objekts
oder Bildes
- RS
- Strahlungssensor
- SU
- Speichereinheit
- αC
- Kameraöffnungswinkel
- αRS
- Sensoröffnungswinkel