DE1914468C3

DE1914468C3 - Device for non-contact temperature measurement

Info

Publication number: DE1914468C3
Application number: DE19691914468
Authority: DE
Inventors: Bernt DipL-Phys. Dr. 8520 Erlangen Paul
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1969-03-21
Publication date: 1976-12-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung mit einem Halbleiterstrahlungsdetektor, dem die Temperaturstrahlung eines Objektausschnittes über eine Abbildungsoptik vorgegeben ist, dem ein Verstärker nachgeschaltet ist.The invention relates to a device for contactless temperature measurement with a semiconductor radiation detector, which the temperature radiation of an object section is specified via imaging optics, which is followed by an amplifier.

Die Messung lokaler Temperaturänderungen an der Oberfläche ausgedehnter Objekte bietet für industrielle und insbesondere für mediz^:nische Aufgaben ein wichtiges Analyse-Hilfsmittel. Die bekannten Infrarot-Bildwandler lösen diese Aufgabe, indem sie ein sichtbares Bild der Temperaturverteilung der Meßobjekte aufzeichnen. Einem weiten Anwendungsbereich dieser Geräte steht aber ihr hoher Preis und außerdem der bei schnellen Geräten erforderliche Kühlaufwand, der eine Anlaufzeit von einigen Minuten bedingt, und bei den ungekühlten Geräten die längere Aufnahmedauer entgegen.The measurement of local temperature changes on the surface of extended objects provides for industrial and particularly for ^mediz: African tasks an important analytical tool. The known infrared image converters solve this problem by recording a visible image of the temperature distribution of the objects to be measured. A wide range of applications for these devices is opposed by their high price and, moreover, the cooling effort required for fast devices, which requires a start-up time of a few minutes, and the longer recording time for uncooled devices.

In vielen Anwendungsfällen genügt es, die Temperaturverteilung mit einem einzelnen Thermometer abzutasten. Voraussetzung ist dabei, daß das Meßgerät als Sonde leicht zu handhaben ist und hinreichend schnell anzeigt, um beim Überstreichen einzelner Ausschnitte des Meßobjektes den Temperaturänderungen folgen zu können. Außerdem muß selbstverständlich der von der Sonde registrierte Meßfelddurchmesser hinreichend klein sein, so daß noch eine definierte Aussage über die örtliche Temperaturverteilung möglich ist. Für medizinische Zwecke, beispielsweise zur Feststellung von Entzündungsgebieten, reicht ein Meßfelddurchmesser noch aus, der kleiner als 5 mm ist.In many applications, it is sufficient to measure the temperature distribution to be sampled with a single thermometer. The prerequisite is that the measuring device as Probe is easy to use and shows quickly enough to be able to scan over individual sections of the measured object to be able to follow the temperature changes. In addition, of course, the one from the Probe registered measuring field diameter be sufficiently small, so that a defined statement about the local temperature distribution is possible. For medical purposes, e.g. for the detection of Areas of inflammation, a measuring field diameter smaller than 5 mm is sufficient.

Verschiedene Strahlungsthermometer (»1R-Radiometer«) für Temperaturen bis herab zu Zimmertemperatur sind bereits im Handel erhältlich. Keines der Geräte ist in die medizinische Technik eingeführt worden, weil die für Flächenmessungen ausgelegten Geräte einen zu großen Meßfelddurchmesser haben, daß ihre Empfindlichkeit im 30°C-Bereich nicht ausreicht und daß die für Absolutmessungen ausgelegten Geräte sehr teuer sind. Außerdem können diese Geräte nicht von einer Person allein bedient werden,Various radiation thermometers (»1R radiometers«) for temperatures down to room temperature are already available in stores. None of the Devices have been introduced into medical technology because they are designed for area measurements Devices have too large a measuring field diameter that their sensitivity in the 30 ° C range is not is sufficient and that the devices designed for absolute measurements are very expensive. In addition, these Devices are not operated by one person alone,

was ihre Anwendung stark einschränkt.which severely limits their application.

Es ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung mit einem Strahlungsdetektor bekannt, dem die Temperaturstrahlung eines Objektes, dessen Temperatur gemessen werden soll, über eine Abbildungsoptik zugeführt ist Die in naehgeochalteten Verstärkerstufen verstärkte Wechselspannung wird gleichgerichtet und optisch angezeigt Das Gerät ist mit einer Wasserkühlung versehen und hat Anschlußleitungen für das Kühlwasser und einen Netzanschluß für die Stromversorgung. Es benötigt außerdem eine Temperaturstabilisierung. A device for non-contact temperature measurement with a radiation detector is known, the temperature radiation of an object whose temperature is to be measured via imaging optics The alternating voltage, which is amplified in the connected amplifier stages, is supplied rectified and visually displayed The device is water-cooled and has connecting cables for the cooling water and a mains connection for the power supply. It also needs temperature stabilization.

Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sieThe object is to design a device of the type mentioned in such a way that it

einfach hergestellt, von einer einzelnen Person bedient werden kann und :nit kleiner Zeitkonstante geringe Temperaturabweichungen anzeigen kann.easy to manufacture, can be operated by a single person and: with a small time constant, low Can display temperature deviations.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Verstärker ein Tongenerator nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal einem Fernhörer (9) zugeführt ist, dem zugleich das Signal eines zweiten Frequenzgenerators vorgegeben ist, und daß die Abbildungsoptik (4) in einem Rohr (13) angeordnet ist, dessen Öffnungsdurchmesser den Objektausschnitt (1) bestimmt.According to the invention, this object is achieved in that a tone generator is connected downstream of the amplifier is, whose output signal is fed to a remote receiver (9), which is also the signal of a second Frequency generator is specified, and that the imaging optics (4) is arranged in a tube (13), whose opening diameter determines the object section (1).

D'ese akustische Anzeige hat den Vorteil, daß die Aufmerksamkeit des Auges ungehindert für andere Tätigkeiten, beispielsweise zur Justierung des als »Thermoskop« wirkenden Strahlungsdetektors, freigehalten wird. Dadurch wird die Anwendung in der medizinischen Diagnostik und für industrielle Meßaufgaben wesentlich vereinfacht.D'ese acoustic indication has the advantage that the eye's attention is unimpeded for others Activities, for example to adjust the radiation detector acting as a »thermoscope«, are kept free will. This makes it suitable for use in medical diagnostics and for industrial measurement tasks much simplified.

Die mit dem Strahlungsdetektor erzeugte Gleichspannung wird von einem Spannungs-FrequenzwandlerThe direct voltage generated by the radiation detector is converted by a voltage-frequency converter

in ein Tonfrequenzsignal umgewandelt, wobei hier unter Tonfrequenzsignal Frequenzen im Bereich von etwa 1 bis 20 000Hz zu verstehen sind. Bei zunehmender registrierter St^rahlungsleistung kann die Frequenz des Tones ansteigen.converted into an audio frequency signal, audio frequency signal being understood here to be frequencies in the range from approximately 1 to 20,000 Hz. With increasing registered St ^r ahlungsleistung the frequency of the tone may rise.

Vorteilhaft ist es, die tiefste Tonfrequenz auf die Strahlungsleistung eines bestimmten Objektausschnittes abzustimmen. Dadurch wird diese tiefste Tonfrequenz auf eine bestimmte Objekttemperatur 7b geeicht. Dem akustischen Anzeigesignal wird eine konstanteIt is advantageous to apply the lowest audio frequency to the radiated power of a certain object section to vote. As a result, this lowest audio frequency is calibrated to a specific object temperature 7b. The acoustic indicator signal is a constant

_4S Zerhackerfrequenz überlagert, die eine Rechteckimpulsfolge sein kann, mit einer Impulsfolgefrequenz kleiner 10 Hz. Damit ist eine Erweiterung der akustischen Temperaturanzeige für Temperaturbereiche möglich, die kleiner als To sind, falls man beim Unterschreiten von 7b die überlagernde Zerhackerfrequenz einschaltet und für Γ kleiner 7b die Tonfrequenz mit abnehmender registrierter Strahlungsleistung ansteigen läßt. Mit der zweiten überlagerten konstanten Frequenz wird beispielsweise ein intermittierendes Tonsignal erzeugt, dessen Tonfrequenz im Bereich unterhalb von To mit abnehmender registrierter Strahlungsleistung ansteigt. _4S superimposed chopper frequency, which can be a square pulse train with a pulse train frequency of less than 10 Hz. This enables the acoustic temperature display to be expanded for temperature ranges that are less than To, if the superimposed chopper frequency is switched on when the value falls below 7b and the Audio frequency can increase with decreasing registered radiation power. With the second superimposed constant frequency, for example, an intermittent sound signal is generated, the sound frequency of which increases in the range below To as the registered radiation power decreases.

Als Fernhörer kann ein Lautsprecher oder ein Kopfhörer vorgesehen sein.A loudspeaker or headphones can be provided as the remote receiver.

Die Abbildungsoptik, der Strahlungsdetektor, die Bauelemente des Verstärkers und der Frequenzgeneratoren und die Energieversorgung können zu einer handlichen Baueinheit zusammengefaßt sein. Die Abbildungsoptik ist mit einem Rohr versehen, durch dessen innerem Durchmesser der Objektausschnitt, d. h. das Meßfeld, bestimmt ist. Das Rohr kann sich vorzugsweise konisch auf die Objektebene zu verjüngen. The imaging optics, the radiation detector, the components of the amplifier and the frequency generators and the power supply can be combined into a handy unit. the Imaging optics are provided with a tube, through the inner diameter of which the object section, i. H. the measuring field is determined. The tube can preferably taper conically to the object plane.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 die Schaltung einer Vorrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In Fig.2 ist die Vorrichtung im Querschnitt dargestellt.For further explanation, reference is made to the drawing, in whose FIG. 1 the circuit of a Device according to the invention is illustrated schematically. In Fig.2 the device is in Cross-section shown.

In Fig. 1 ist das vereinfachte Schaltbild eines akustisch anzeigenden Strahlungsthermometers für Abtastzwecke, eines »Thermoskops«, dargestel't Die von einem Ausschnitt 1 des Objektes 2 ausgesandte Infrarotstrahlung 3 wird mit einer Abbildungsoptik 4, beispielsweise einer Siliziumlinse, auf einen Strahlungsdetektor 5 abgebildet. Dem Strahlungsdetektor 5 ist ein Verstärker 6 nachgeschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 6 ist eine Gleichspannung, die der vom Strahlungsdetektor 5 empfangenen Infrarot-Strahlungsleistung proportional ist. Diese Gleichspannung v;ird einem als Spannungs-Frequenzwandler arbeitenden Tonfrequenzgenerator 7 zugeführt, der die Gleichspannung in eine der Strahlungsleistung proportionale Frequenz, die im Hörbereich liegt, transformiert. Dieses Frequenzsignal wird auf den Tonabnehmer-Eingang 8 eines Fernhörers 9, der beispielsweise ein Kopfhörer sein kann, gegeben und so akustisch zur Anzeige gebracht. Dem Fernhörer 9 wird zugleich die konstante Frequenz eines weiteren Tonfrequenzgenerators vorgegeben, der mit dem Tonfrequenzgenerator 7 eine gemeinsame Baueinheit bilden kann.In Fig. 1 is the simplified circuit diagram of an acoustically indicating radiation thermometer for Scanning purposes, a »thermoscope«, shown the emitted from a section 1 of the object 2 Infrared radiation 3 is applied to a radiation detector with imaging optics 4, for example a silicon lens 5 pictured. An amplifier 6 is connected downstream of the radiation detector 5. The output signal of the Amplifier 6 is a DC voltage that corresponds to the infrared radiation power received by the radiation detector 5 is proportional. This direct voltage is transferred to a voltage-frequency converter Audio frequency generator 7 is supplied, which converts the DC voltage into a radiation output proportional Frequency that is in the audible range is transformed. This frequency signal is sent to the pickup input 8 a remote receiver 9, which can for example be headphones, given and so acoustically for display brought. The remote receiver 9 is also given the constant frequency of a further audio frequency generator, which can form a common structural unit with the audio frequency generator 7.

Dieses Gerät ist von einer Person und mit einer Hand bedienbar. Das Temperaturpro'Fil eines Meßobjektes läßt sich mit der Vorrichtung in einfacher Weise dadurch gewinnen, daß verschiedene Objektausschnitte 1 nacheinander abgetastet werden. Aufwendige Kühlungsmaßnahmen, beispielsweise mit Stickstoff, wie sie bei den Infrarot-Bildwandlern nötig sind, werden vermieden.This device can be operated by one person and with one hand. The temperature profile of an object to be measured can be obtained with the device in a simple manner that different object sections 1 can be scanned one after the other. Complex cooling measures, for example with nitrogen, like them are necessary for infrared image converters are avoided.

Als Strahlungsdetektor kann ein Halbleiterphotoelement mit photoelektromagnetischem Effekt vorgesehen sein, wie es beispielsweise in dem deutschen Patent 12 14 807 beschrieben ist, oder es kann ein Halbleiterphotowiderstand benutzt werden, wie er beispielsweise in der deutschen Patentschrift 16 14 535 beschrieben ist. Diese Halbleiterdetektoren bestehen vorzugsweise aus Indiumantimonid InSb, insbesondere mit Einschlüssen einer gut leitenden, nadeiförmigen zweiten Phase, wie Nickelantimonid NiSb. Mit diesen De'ekioren erhält man eine Ansprechzeitkonstante kleiner als 03 see. Wird ein Halbleiterphotowiderstand in einer monolithischen Detektorbrücke benutzt, wie sie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 19 14 467 beschrieben ist, so kann eine Temperaturnachweisempfindlichkeit erreicht werden, die in der Größenordnung von 0,1⁰C liegt.A semiconductor photocell with photoelectromagnetic effect, as described, for example, in German Patent 12 14 807, or a semiconductor photoresistor, as described, for example, in German Patent 16 14 535, can be used as the radiation detector. These semiconductor detectors preferably consist of indium antimonide InSb, in particular with inclusions of a highly conductive, needle-shaped second phase, such as nickel antimonide NiSb. With these De'ekioren you get a response time constant of less than 03 see. If a semiconductor photoresistor is used in a monolithic detector bridge, as is described, for example, in German laid-open specification 19 14 467, a temperature detection sensitivity of the order of 0.1 ^° C. can be achieved.

Mit dem in F i g. 2 im Schnitt dargestellten Meßgerät erhält man insbesondere einen kleinen Meßfelddurchmesser und eine sichere Markierung des Meßfeldes und der optimalen Objektebene, d. h. derjenigen Objektebene, die den kleinsten Meßfelddurchmesser besitzt.With the in F i g. 2 measuring device shown in section one obtains in particular a small measuring field diameter and a reliable marking of the measuring field and the optimal object plane, d. H. that object level which has the smallest measuring field diameter.

In ein zylinderförmiges Metallteil 10 ist eine Fassung 11 eingeschraubt, die den Strahlungsdetektor 5, der beispielsweise eine monolithische Detektorbrücke sein kann, trägt. Auf die Fassung 11 ist die Linsenfassung 12 aufgeschraubt, mit der die Abbildungsoptik 4, die eine lichtstarke Siliziumlinse mit großen Öffnungsverhältnis ist, gehalten wird. Auf den zylindrischen Tragteil 10 ist ein konisches Rohr 13 aufgeschraubt, durch dessen inneren Durchmesser an der Spitze 14 des Meßfelddurchmesser des Objektausschnittes 1 bestimmt wird. So ist durch die Länge des Rohres 13 die Lage der Abbildungsoptik 4 bezüglich des Objektes 2 festgelegt und dieses wird scharf auf dem Strahlungsdetektor 5 abgebildet. An dem Tragteil 10 und dem konischen Rohr 13 ist ein Handgriff 15 befestigt, der mit einer Einschaltklinke 16 versehen ist. In den Pistolengriff 15 sind die elektronischen Bauteile, nämlich der Verstärker 6 und die Tonfrequenzgeneratoren 7 und die Energieversorgung des Gerätes, beispielsweise Batterien 18, untergebracht. Über ein Kabel 17 wird das Meßsignal einem Kopfhörer zur akustischen Anzeige zugeführt.A holder 11 is screwed into a cylindrical metal part 10 and carries the radiation detector 5, which can be a monolithic detector bridge, for example. The lens mount 12, with which the imaging optics 4, which is a high-intensity silicon lens with a large aperture ratio, is held, is screwed onto the mount 11. A conical tube 13 is screwed onto the cylindrical support part 10, the inner diameter of which at the tip 14 determines the measuring field diameter of the object section 1. The position of the imaging optics 4 with respect to the object 2 is determined by the length of the tube 13 and this is imaged sharply on the radiation detector 5. A handle 15, which is provided with an engaging pawl 16, is attached to the support part 10 and the conical tube 13. The electronic components, namely the amplifier 6 and the audio frequency generators 7 and the power supply for the device, for example batteries 18, are accommodated in the pistol grip 15. The measurement signal is fed via a cable 17 to headphones for acoustic display.

In der Vorrichtung sind somit die Abbildungsoptik 4, der Halbleiter-Strahlungsdetektor 5, der Verstärker 6 und die Tonfrequenzgeneratoren 7 zu einer Baueinheit in Pistoienform zusammengefaßt, die von einer Person mit einer Hand leicht bedient werden kann. Ein Abtasten auch größerer Flächen ist ohne Ermüdungserscheinungen möglich. Der Meßfelddurchmesser 14 kann kleiner als 5 mm sein. Das Gerät ist deshalb vorzugsweise für die medizinische Diagnostik geeignet, bei der die öffnung des in Richtung auf die Objektebene konisch verjüngten Rohres 13 direkt über die Haut der Untersuchungsperson geführt wird.The imaging optics 4, the semiconductor radiation detector 5, the amplifier 6 and the audio frequency generators 7 to form a single unit summarized in the shape of a pistol, which can be easily operated by one person with one hand. A It is also possible to scan larger areas without any signs of fatigue. The measuring field diameter 14 can be smaller than 5 mm. The device is therefore preferably suitable for medical diagnostics in which the Opening of the tube 13, which tapers conically in the direction of the object plane, directly over the skin of the Examining person is led.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for non-contact temperature measurement with a semiconductor radiation detector, which the temperature radiation of an object section is specified via imaging optics, which is followed by an amplifier, thereby characterized in that the amplifier (6) one Tone generator (7) is connected downstream, the output signal of a remote receiver (9) is fed to the at the same time the signal of a second frequency generator is given, and that the imaging optics (4) is arranged in a tube (13), the opening diameter of which determines the object section (1).

2. Performing according to claim 1, characterized in that that the tube (13) tapers conically to the object plane (4).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the imaging optics (4), the Semiconductor radiation detector (S), the amplifier (6) and frequency generators (7) and a power source are combined into a handy unit.