DE19828454A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Temperatur einer Zielfläche - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur einer Zielfläche, mit einem IR-Detektor zur Er­ fassung von IR-Strahlung, die von der Zielfläche ausgeht, und einer Visiereinrichtung.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen der Tem­ peratur einer Zielfläche, mit den Schritten, von der Zielfläche ausgehende IR-Strahlung mittels eines IR-Detektors zu erfassen, und die Zielfläche anzuvisieren.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit insbesondere eine der­ artige Vorrichtung bzw. ein derartiges Verfahren, bei denen eine Visiereinrichtung bzw. Zieleinrichtung verwendet wird, die dazu ausgelegt ist, die Energiezone des Ziels, also die Ziel­ fläche, deren Temperatur zu messen ist, mit einem Laser oder mit Laserstrahlen, die die gesamte Zielfläche oder einen Teil der Zielfläche umschreiben, anzuzielen, oder zu projizieren oder zu erfassen.

Vorrichtungen zur Fernmessung der Temperatur mittels Infrarot­ strahlung werden seit vielen Jahren dazu verwendet, die Tempe­ ratur einer Oberfläche von einem entfernt liegenden Ort aus zu messen und werden gewöhnlich als Infrarot-Pyrometer oder Radio­ meter bezeichnet. Das Funktionsprinzip dieser Vorrichtungen ist allgemein bekannt. Alle Oberflächen mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt emittieren Wärme in Form von Strah­ lungsenergie. Diese Strahlungsenergie wird durch Molekular­ bewegung erzeugt, die die elektromagnetischen Wellen hervor­ ruft. Daher wird ein Teil der Energie in dem Material in gera­ den Linien weg von der Oberfläche des Materials abgestrahlt. Viele Infrarot-Radiometer verwenden die Prinzipien optischer Reflexion und/oder Refraktion, um die von einer vorgegebenen Oberfläche abgestrahlte Energie einzufangen. Die Infrarotstrah­ lung wird auf einen Detektor fokussiert und, unter Verwendung bekannter Techniken, analysiert, wobei die Oberflächenenergie akkumuliert und verarbeitet wird und anschließend die Tempera­ tur berechnet und auf einer geeigneten Anzeige angezeigt wird.

Wenn derartige Radiometer dazu verwendet werden, die Ober­ flächentemperatur zu messen, wird das hierzu verwendete Instru­ ment auf eine Zielfläche innerhalb der Energiezone der Ober­ fläche gezielt, an der die Messung vorzunehmen ist. Das Radio­ meter empfängt die emittierte Strahlung durch ein optisches System, so daß die Strahlung auf einen für Infrarot empfindli­ chen Detektor fokussiert wird. Dieser erzeugt ein Signal, das intern verarbeitet und in einen Temperaturwert umgewandelt wird, der wiederum angezeigt wird.

Um eine hohe Genauigkeit und Verläßlichkeit der sich ergebenden Messung zu gewährleisten, sind sowohl der genaue Ort der Ener­ giezone an der Oberfläche als auch deren Größe außerordentlich wichtig. Es versteht sich, daß das Sichtfeld des optischen Systems eines solchen Radiometers derart ist, daß der Durch­ messer der Energiezone direkt mit der Entfernung zu dem Ziel ansteigt. Die typische Energiezone von solchen Radiometern wird definiert als die Zone, in der 90% der Energie vorhanden ist, die auf den Detektor fokussiert wird. Bislang wird die Größe der tatsächlichen Energiezone bestimmt durch Verwendung einer "Zielentfernungstabelle" oder durch physikalische Messung die­ ser Entfernung.

Vor diesem Hintergrund besteht das der Erfindung zugrunde lie­ gende Problem darin, eine verbesserte Vorrichtung bzw. ein ver­ bessertes Verfahren zur Temperaturmessung anzugeben, bei denen insbesondere eine verbesserte Visiereinrichtung zum Zielen auf die Energiezone zum Einsatz kommt.

Dieses Problem wird bei der eingangs genannten Vorrichtung zur Messung der Temperatur dadurch gelöst, daß die Visiereinrich­ tung einen teilweise durchlässigen Reflektor aufweist, der im Strahlengang zwischen der Zielfläche und dem Infrarotdetektor angeordnet ist.

Bei dem eingangs genannten Verfahren zur Messung der Temperatur wird dieses Problem dadurch gelöst, daß sichtbares Licht zum Anvisieren der Zielfläche im Strahlengang der Infrarotstrahlung von der Zielfläche zu dem Infrarotdetektor mittels eines teil­ weise durchlässigen Reflektors umgelenkt wird.

Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Visiereinrichtung zur Verwendung mit oder zum Einbau in oder an einem Radiometer zum Messen der Temperatur von einem entfernten Punkt mittels Infrarot geschaffen wird, wobei die Visiereinrichtung es ermöglicht, daß das Blickfeld des Radio­ meters bzw. Thermometers mit einer sichtbaren gewünschten Ziel­ fläche übereinstimmt, deren Temperatur zu messen ist.

Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine sol­ che Visiereinrichtung vollkommen unabhängig von dem optischen System des Radiometers bzw. Thermometers vorgesehen werden kann und somit an diesem keine Störung hervorruft.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß eine Visiereinrichtung geschaffen wird, die an dem Radiometer bzw. dem Thermometer leicht anbringbar und von diesem leicht abnehmbar ist.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß die Sichtlinie des Systems mit der Mittenlinie des Blickfeldes der verwendeten Detektionsoptik zusammenfällt, so daß genauere Visiervorgänge möglich sind, insbesondere, wenn man unterschiedliche Ziele an­ peilt.

Generell schafft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Visiereinrichtung bzw. ein Visiersystem für eine Temperaturmeß­ vorrichtung unter Verwendung von Infrarottechniken, wobei die Visiereinrichtung einen Lasergenerator verwendet, um einen Laserstrahl zu erzeugen, aus dem wenigstens drei Teillaser­ strahlen erzeugt werden, die um eine Mittenlinie herum beab­ standet verlaufen. Die Laserteilstrahlen werden auf einen Re­ flektor gerichtet, der im Sichtfeld des Radiometers angeordnet ist. Der Reflektor ist so ausgewählt, daß er (a) Infrarotlicht durchläßt und (b) Laserlicht und sichtbares Licht reflektiert. Der Reflektor ist so positioniert, daß er die Teilstrahlen der­ art auf das Ziel richtet, daß um die Mitte der Zielfläche her­ um, deren Temperatur zu messen ist, kleine sichtbare beleuchte­ te Flächen (z. B. "Punkte oder Flecken") bereitgestellt werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, zusätzlich einen weiteren Teilstrahl bereitzu­ stellen, der auf der Mittenlinie verläuft und demgemäß einen beleuchteten "Fleck" in der Mitte der Zielfläche hervorruft.

Bei einem zweiten Aspekt der Erfindung werden Lichtstrahlen, die von einer Fläche des Ziels ausgehen, die konzentrisch zu der Zielfläche ist, deren Temperatur zu messen ist, zu einem Reflektor geführt, der wiederum so ausgewählt ist, daß er (a) Infrarotlicht durchläßt und (b) sichtbares Licht reflektiert. Infrarotstrahlen, die von der ausgewählten Zielfläche ausgehen, durchlaufen unverändert den Reflektor und werden mittels einer Infrarotlinse auf einen Infrarotdetektor konzentriert. Sicht­ bare Lichtstrahlen, die von der hierzu konzentrischen Fläche ausgehen, werden von dem Reflektor in ein optisches System, das einen winklig angeordneten Spiegel aufweisen kann, abgelenkt, wobei das optische System die Lichtstrahlen dann zu einer opti­ schen Visiereinrichtung, wie einem Zielfernrohr, leitet.

Die Erfindung betrifft somit zunächst eine Visiereinrichtung, die für Vorrichtungen zur Temperaturmessung geeignet ist und die einen Deflektor bzw. Reflektor aufweist, der für von der Zielfläche ausgehende Infrarotstrahlen transparent, für Laser­ lichtstrahlen jedoch reflektierend ist, und der in einem opti­ schen Pfad zwischen der Zielfläche und einem die Temperatur dieser Zielfläche ermittelnden Radiometer aufgenommen werden kann. Das Visiersystem umfaßt ferner Mittel zum Erzeugen einer Vielzahl von auf den Deflektor gerichteten Laserlichtstrahlen, die von dem Deflektor auf den optischen Pfad gerichtet werden können, so daß sie auf das Ziel auftreffen und zumindest einen Umriß der Zielfläche visuell identifizieren.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Visiereinrichtung, die für Vorrichtungen zur Temperaturmessung geeignet ist und die einen Deflektor aufweist, der gegenüber von einer Zielfläche ausgehenden Infrarotstrahlen transparent ist, sichtbare Licht­ strahlen jedoch reflektiert, und der zur Anordnung in einem op­ tischen Pfad zwischen der Zielfläche, deren Temperatur zu mes­ sen ist, und einem Radiometer geeignet ist, mittels dessen die Temperatur dieser Zielfläche ermittelt wird.

Die Visiereinrichtung umfaßt ferner optische Zielmittel bzw. Visiermittel, die so angeordnet sind, daß sie Lichtstrahlen von dem Deflektor empfangen, um wenigstens einen Umriß der Zielfläche zu betrachten und hierdurch visuell zu identifizie­ ren.

Zum dritten betrifft die Erfindung ein Verfahren zum visuellen Identifizieren von wenigstens einem Umriß einer Zielfläche, de­ ren Temperatur zu messen ist, indem man Infrarotstrahlen ent­ lang eines optischen Pfades von der Zielfläche auf ein Radio­ meter auftreffen läßt, wobei mittels eines Deflektors, der für die Infrarot strahlen transparent ist und der in dem optischen Pfad angeordnet ist, eine Vielzahl von Laserstrahlen auf die Zielfläche abgelenkt wird, um die Zielfläche visuell zumindest zu umreißen.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum visuellen Identifizieren wenigstens eines Umrisses einer Zielfläche, deren Temperatur zu messen ist, indem man Infrarotstrahlen ent­ lang eines optischen Pfades von der Zielfläche auf ein Radio­ meter treffen läßt, wobei das Verfahren den Schritt umfaßt, mittels eines Deflektors, der für Infrarotstrahlen transparent ist und in dem optischen Pfad angeordnet ist, von der Ziel­ fläche ausgehende Lichtstrahlen so abzulenken, daß die abge­ lenkten Lichtstrahlen auf optische Zielmittel weiterleitbar sind.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die Visiereinrichtung als Modul ausgeführt werden kann, das an einem Radiometer bzw. Thermometer anbringbar und von diesem wieder abnehmbar ist, wobei die Visiereinrichtung die ausge­ wählte Zielfläche beschreiben bzw. vermessen kann, und zwar als Umriß oder Sichtfeld entsprechend der gesamten ausgewählten Fläche oder einem Teil hiervon. Dies erfolgt, indem man Ablen­ kungsmittel für sichtbares Licht und/oder für Laserlicht in einen optischen Pfad für Infrarotlicht zwischen der Zielfläche und Wärmeerfassungsmitteln des Radiometers einfügt, wobei die Ablenkungsmittel so ausgelegt sind, daß sie den normalen Be­ trieb der Infrarot-Temperaturmessung nicht verändern oder stö­ ren.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung unter Verwendung von Laser­ licht zur Zielbeleuchtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil eines Ziels, auf dem ein Fleckenmuster von der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung bereitgestellt ist;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Aus­ führungsform der Erfindung unter Verwendung von sichtbarem Licht zur Zielvisierung; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil des anvisierten Ziels.

In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist eine erste Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Ein Laser­ generatormodul 1 erzeugt einen einzelnen Laserstrahl 2, der durch Strahlteilermittel 3 geführt wird, die beispielsweise von einem Diffraktionsgitter, einem Strahlteiler oder einem Prisma gebildet sein können. Die Strahlteilermittel 3 sind so konstru­ iert, daß der einzelne Laserstrahl 2 in eine Vielzahl von di­ vergierenden Teilstrahlen aufgeteilt wird. In der dargestellten Ausführungsform wird der einzelne Laserstrahl 2 in zwölf Teil­ strahlen 3a aufgeteilt, die symmetrisch mit gleichen Abständen auf einem Kreis angeordnet sind, und in einen einzelnen zentra­ len Teilstrahl 3b. Die Vielzahl von Teilstrahlen 3a, 3b verlau­ fen zu einem Spiegel 4, der unter einem Winkel von 45° zur Horizontalen angeordnet ist, so daß diese Teilstrahlen um 90° abgelenkt werden. In der Folge treffen die Teilstrahlen 3a, 3b auf einen teilweise durchlässigen Reflektor (Infrarotfilter/­ Spiegel) 7, der die Eigenschaften hat, (a) Infrarotstrahlen durchzulassen, und (b) Laserlicht zu reflektieren. Es können (nicht dargestellte) Mittel vorgesehen sein, um die Position des Spiegels 4 mechanisch einzustellen, beispielsweise durch einen Motorantrieb oder durch eine Einstellschraube.

In Fig. 1 ist die Vorrichtung zur Temperaturmessung nur schema­ tisch gezeigt. Sie enthält einen Infrarotdetektor 5, dem eine Infrarotlinse 6 zugeordnet ist.

Ein Ziel 8, dessen Temperatur zu messen ist, sendet Infrarot­ strahlen auf die Infrarotlinse 6. Diese konzentriert die emp­ fangenen Strahlen auf den Detektor 5. Die von der Kombination der Elemente 5, 6 erfaßte Zielfläche 9 ist kreisförmig. Der Re­ flektor 7 richtet die Sammlung von Teilstrahlen 3a, 3b auf die­ selbe kreisförmige Fläche auf dem Ziel und definiert hierdurch eine kreisförmige Fläche auf dem Ziel in Form eines Kreises 11 aus beleuchteten "Flecken" bzw. "Punkten" 11a. Der zentrale Teilstrahl 3b trifft auf die Mitte 10 der Zielfläche 9 auf. Es versteht sich, daß der zentrale Teilstrahl 3b weggelassen wer­ den kann, so daß nur die kreisförmige Anordnung der Teilstrah­ len 3a verwendet wird.

Für Benutzer der Vorrichtung ergibt sich dann unmittelbar, wel­ che kreisförmige Fläche des Ziels zur Temperaturmessung heran­ gezogen wird, da diese Fläche von den deutlich sichtbaren Flec­ ken 11a umrissen wird.

In den Fig. 3 und 4 der Zeichnung wird eine andere Art der Anvisierung verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist ein Ziel­ fernrohr bzw. Visierteleskop 12 in Ausrichtung mit einem lichtreflektierenden Spiegel 13 so angeordnet, daß der Spiegel 13 Lichtstrahlen 14 auf das Fernrohr 12 reflektiert, die auf den Spiegel 13 von einem Reflektor (Infrarotfilter/Spiegel) 15 gerichtet werden, der die Eigenschaften hat, (a) Infrarotstrah­ len durchzulassen, und (b) sichtbares Licht zu reflektieren.

Auch bei dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Tempe­ raturmessung lediglich schematisch gezeigt. Sie enthält einen Infrarotdetektor 16, dem eine Infrarotlinse 17 zugeordnet ist. Das Ziel 18, dessen Temperatur zu messen ist, sendet Infrarot­ strahlen in Richtung auf die Infrarotlinse 17. Diese konzen­ triert die empfangenen Strahlen auf den Infrarotdetektor 16. Die von der Kombination der Elemente 16, 17 erfaßte Zielfläche 19 ist kreisförmig. Eine konzentrische, jedoch kleinere Fläche 20 des Ziels sendet sichtbare Strahlen 14 auf den Reflektor 15, so daß ein durch das Zielfernrohr 12 sehender Betrachter die kreisförmige Fläche 20 sieht und somit erkennen kann, auf wel­ chen Teil des Ziels die Vorrichtung zur Temperaturmessung ge­ richtet ist.

In beiden Ausführungsformen kann der Reflektor 7 bzw. 15 der­ artige optische Eigenschaften haben, daß er Infrarotenergie mit Wellenlängen im Bereich von 8 bis 14 µm durchläßt.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß das System zur Erfassung und Ausrichtung, bestehend aus den Elementen 1, 3, 4 und 7 in Fig. 1 und 2, bzw. aus den Elementen 12, 13 und 15 in Fig. 3, so ausführbar sein kann, daß es an dem verbleibenden Teil der Vorrichtung anbringbar und von diesem wieder abnehmbar ist.

Ein wesentliches Merkmal, das beiden beschriebenen Ausführungs­ formen gemeinsam ist, liegt in der Verwendung von Licht/Laser- Spiegelmitteln, die in den Pfad zur Infrarotlichtübertragung eingefügt sind, um die "sichtbaren" Strahlen in den Infrarot­ pfad hinein bzw. aus diesem heraus abzulenken, ohne den Infra­ rotpfad selbst zu beeinflussen.

In beiden Ausführungsformen besteht das zu erreichende Ziel darin, eine Übereinstimmung zwischen dem, was der Benutzer sieht bzw. anvisiert, und der Zielfläche zu schaffen, deren Temperatur gemessen wird, d. h. mit anderen Worten, einen leich­ ten und genauen Zielvorgang für das Radiometer bereitzustellen. Es ist ein Vorteil der hier offenbarten Visiersysteme, daß die­ se nicht mit dem optischen System des Radiometers interferie­ ren. Im Ergebnis kann das Visiersystem unabhängig von dem Radiometer hergestellt werden und kann als Zusatz zu dem Radio­ meter verwendet werden. Hierdurch lassen sich sowohl die Her­ stellung als auch die Lagerhaltung besser steuern.

Die Strahlteilermittel 3 können als Diffraktions-Gitterlinse ausgeführt sein. Das Sichtfeld des optischen Systems 5, 6 des Radiometers kann derart ausgelegt sein, daß die Zielfläche 9 etwas größer ist als der durch die Laserlicht-"Flecken" 11a de­ finierte Kreis 11. Wenn die Strahlteilermittel 3 weggelassen würden, würde das Lasergeneratormodul 1 über die Elemente 4, 7 einen einzelnen Laserstrahl auf das Zentrum 10 der Zielfläche 9 projizieren, so daß dort ein einzelner Laser-"Fleck" entstehen würde.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung der Temperatur einer Zielfläche (9; 19), mit
einem IR-Detektor (5; 16) zur Erfassung von IR-Strahlung, die von der Zielfläche (9; 19) ausgeht, und
einer Visiereinrichtung (1-4, 7; 12-15),
dadurch gekennzeichnet, daß die Visiereinrichtung (1-4, 7; 12-15) einen teilweise durchlässigen Reflektor (7; 15) aufweist, der im Strahlen­ gang zwischen der Zielfläche (9; 19) und dem IR-Detektor (5; 16) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Visiereinrichtung (1-4, 7) einen Lasergenerator (1) aufweist, der einen Laserstrahl (2) erzeugt, sowie Strahl­ teilermittel (3), die den Laserstrahl (2) in ein Bündel von wenigstens drei Teilstrahlen (3a) aufteilen, die von dem teilweise durchlässigen Reflektor (7) auf die Ziel­ fläche (9) gerichtet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen (3a) einen Kreis (11) aus Laserlicht­ flecken (11a) auf der Zielfläche (9) definieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein weiterer Teillaserstrahl (3b) auf das Zentrum (10) der Zielfläche (9) gerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Visiereinrichtung (12-15) ein Fernrohr (12) aufweist und daß von der Zielfläche (19) ausgehendes sichtbares Licht (14) mittels des teilweise durchlässigen Reflektors (15) auf das Fernrohr (12) gerichtet wird.

6. Verfahren zur Messung der Temperatur einer Zielfläche (9; 19), mit den Schritten:
Erfassen von von der Zielfläche (9; 19) ausgehender Infra­ rotstrahlung mittels eines Infrarotdetektors (5; 16); und
Anvisieren der Zielfläche (9; 19),
dadurch gekennzeichnet, daß sichtbares Licht (3a, 3b; 14) zum Anvisieren der Ziel­ fläche (9; 19) im Strahlengang der Infrarotstrahlen von der Zielfläche (9; 19) zum Infrarotdetektor (5; 16) mit­ tels eines teilweise durchlässigen Reflektors (7; 15) um­ gelenkt wird.