DE29907098U1 - Prüfkopf für ein Infrarot-Thermometer - Google Patents

Prüfkopf für ein Infrarot-Thermometer

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Description

t ·
TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GbR
PATENTANWÄLTE-EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem. Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Mauerkircherstrasse 45 D-81679 MÜNCHEN
Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred Wiebusch
Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-33617BIELEFELD
Case: GE0462
Ur/an 21.4.1999
Chao-Wang CHEN
2-4F, No. 8, Lane 44, Wan An Street,
Taipei, Taiwan Republic of China
Prüf kopf für ein Infrarot-Thermometer
TERMEER STEINMETSTeR &'PAR"TNE'R 'ObR -2"
Chao-Wang CHEN Case: GE0462 21.4.1999
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Infrarot-Thermometer zur Detektion der Temperatur des organischen Gewebes eines Targets durch Messung der vom organischen Gewebe bzw. Target emittierten Strahlungsenergie, wobei das Target zum Beispiel der äußere Ohrkanal oder das Trommelfell eines menschlichen Körpers sein kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Aufbau eines Prüfkopfs im Infrarot-Thermometer, der in den zu messenden Bereich des Targets einsetzbar ist.
Zur Messung der vom Target emittierten Wärmestrahlung kann ein hierfür geeignetes Infrarot-Thermometer zum Beispiel Thermosäulen, pyroelektrische Detektoren, Bolometer oder aktive Infrarotsensoren enthalten. Die von einem Objekt emittierte Strahlungsenergie läßt sich durch die Stefan-Boltzmann Gleichung ausdrücken, und zwar zu E = &egr; · &rgr; · T^. Hierin ist &egr; das Emissionsvermögen des Targets. Bei einem menschlichen Körper liegt &egr; bei einem Wert von &egr; = 0,98. Dagegen ergibt sich der Ausdruck &rgr; zu &rgr; = 5,67 · 108W/m2(°K)4· Ini°lge des oben dargestellten Zusammenhanges kann die von einem Sensor detektierte Strahlungswärme in Form einer Signalsausgangsspannung ausgegeben werden. Diese Signalausgangsspannung bestimmt sich durch folgende Gleichung: V = kebSsiTb4 - Ts4).
Hierin sind Eb und &egr;$ Emissionsvermögen von Target bzw. Sensor. Tb ist die Temperatur des Testtargets oder des menschlichen Körpers, während Ts die Oberflächentemperatur des Sensors ist. Infolgedessen läßt sich also die Temperatur des Testtargets durch Empfang der vom Target oder menschlichen Körper emittierten Wärmestrahlung durch den Infrarotsensor messen, ohne daß dieser in Kontakt mit dem Testtarget bzw. menschlichen Körper kommt.
Die Figur 1 zeigt den Aufbau eines Prüfkopfs für ein herkömmliches Infrarot-Thermometer. Dieser Prüfkopf mit dem Bezugszeichen 10 ist gehäuseförmig ausgebildet und weist eine konische Form auf. Das vordere Ende 102 des Prüfkopfs 10 ist mit dem Infrarot-Strahlungssensor 12 über eine zylindrische Wellenleiterröhre 14 verbunden. Ferner ist ein Umgebungstemperatursensor 16 auf dem Infrarot-Strahlungssensor 12 installiert, um dessen Temperatur zu messen. Sowohl der Infrarot-Strahlungs-
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sensor 12 als auch der Umgebungstemperatursensor 16 sind mit einem Prozessor 18 verbunden. Die vom Target emittierte Wärmestrahlung, repräsentiert durch Tb, wird durch die Wellenleiterröhre 14 hindurchgeleitet und schließlich vom Infrarot-Strahlungssensor 12 detektiert. Somit ist es möglich, die Temperatur des Targets zu berechnen, und zwar auf der Grundlage der Temperatur Tb sowie der vom Umgebungstemperatursensor 16 gelieferten Temperatur Ts-
Um festzustellen, ob die gemessene Temperatur genau genug ist, sollte zunächst Augenmerk auf die Transmissionsfähigkeit der Wellenleiterröhre 14 gerichtet werden. Die gemessene Temperatur kann falsch sein, wenn ein Temperaturgradient zwischen Wellenleiterröhre 14 und Infrarot-Strahlungssensor 12 besteht.
Um ein solches Problem zu verhindern, wird die Wellenleiterröhre 14 üblicherweise aus einem Metall mit hohem Reflexionsvermögen hergestellt. Die innere Oberfläche der Wellenleiterröhre 14 wird darüber hinaus spiegelnd ausgebildet, um somit einen Innenkanal mit hohem Reflexionsvermögen zu erhalten. Außerdem kann auf diese gespiegelte Oberfläche des Innenkanals der Wellenleiter röhre 14 eine dünne Goldschicht aufgebracht werden, um das Reflexionsvermögen noch weiter zu erhöhen. Wird abgesehen davon der Prüfkopf 10 in den externen Ohrkanal 20 eines menschlichen Körpers eingesetzt, so läßt sich praktisch ein Kontakt zwischen Teilen der äußeren Oberfläche des Prüfkopfs 10 und dem externen Ohrkanal 20 nicht vermeiden. Da üblicherweise die Temperatur des Prüfkopfs 10 geringer ist als die des externen Ohrkanals 20, ist es möglich, daß Wärmeleitung vom äußeren Ohrkanal 20 zum Prüfkopf 10 auftritt sowie anschließend vom Prüfkopf 10 zur Wellenleiterröhre 14. Dadurch kann die Genauigkeit der gemessenen Temperatur beeinflußt werden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde bereits vorgeschlagen, einen Wärmeleitungs-/-Verteilungsbereich 22 zwischen Wellenleiterröhre 14 und Prüfkopf 10 vorzusehen. Dadurch konnte verhindert werden, daß vom äußeren Ohr kanal 20 in Richtung zum Prüfkopf 10 strömende Wärme die Wellenlei-
TERMEER
S1 PAR'TNE*R äbR
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terröhre 14 erreicht. Eine Temperaturerhöhung der Wellenleiterröhre 14 sowie ein damit verbundener Temperaturmeßfehler konnten somit vermieden werden.
Die US 5,820,264 beschäftigt sich mit weiteren Verbesserungen der Wellenleiterröhre 14. Aufgrund innerer Defekte der Wellenleiterröhre 14, die im allgemeinen als Hohlwellenleiter ausgebildet ist, kann sich nämlich das Reflexionsvermögen des Hohlleiters verringern, etwa durch Oberflächenkontamination, und dergleichen. Bei einer Wellenleiterröhre mit kleinem Durchmesser kann es darüber hinaus aber auch infolge der kleinen, aber endlichen Emissivität der reflektierenden Oberfläche zu einer Trägeremission kommen. Außerdem ist bei einer derartigen Wellenleiterröhre der Beobachtungswinkel sehr begrenzt und es kann sich eine substantielle Signalverringerung einstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfkopf der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine genauere Messung der Temperatur mit Hilfe eines Infrarot-Thermometers möglich ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung enthält ein Prüfkopf einen Infrarotsensor und eine Wellenleiterröhre, die dazu dient, von einem Target emittierte Infrarotstrahlung zum Infrarot-Strahlungssensor (IR-Sensor) zu übertragen. Ein Wärmeverteilungs- bzw. -leitungsbereich liegt zwischen dem Prüfkopfgehäuse und der Wellenleiterröhre, um zu verhindern, daß von einem nicht ausgewählten Targetbereich emittierte Wärmestrah lung das Leitungsvermögen der Wellenleiterröhre beeinflußt. Der Wärmeverteilungs-/ bzw. -leitungsbereich ist dabei unter Berücksichtigung der Tatsache ausgebildet, daß der Fehler in der Meßtemperatur proportional zur Länge der Wellenleiterröhre und umgekehrt proportional zum Reflexionsvermögen &ggr; und zur Dicke der Wellenleiterröhre ist. Bei der Ausbil-
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dung des Prüfkopfs wurde darüber hinaus berücksichtigt, daß der Temperaturmeßfehler auch vom Verhältnis der Massen zwischen Wärmeverteilungsbereich und Wärmeleitungsbereich des Wärmeverteilungs- bzw. -leitungsbereichs abhängt. Dies hat zu einer Wellenleiterröhre mit 5 optimalem Verhältnis zwischen Länge zu Breite bzw. Wanddicke geführt, und auch zu einer Optimierung der Massen bzw. Massenverteilung im Wärmeverteilungs- bzw. -leitungsbereich. Das Gehäuse des Prüfkopfs wurde aus dielektrischen Materialien hergestellt, um Fehler bei der Meßtemperatur noch weiter reduzieren zu können.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 den Aufbau eines herkömmlichen Prüfkopfs für ein Infrarot-Thermometer; und
Figur 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Prüfkopf für ein Infrarot-Thermometer.
Die Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Prüfkopf für ein Infrarot-Thermometer nach der vorliegenden Erfindung. Entsprechend der Figur 2 umfaßt der Prüfkopf 10 ein Gehäuse 104, in welchem sich sämtliche Sensoreinrichtungen befinden. Ein Infrarot-Strahlungssensor 30 und ein Umgebungstemperatursensor sind an einem Ende einer Wellenleiterröhre 14 mittels einer Befestigungsplattform 32 befestigt. Über die Befestigungsplattform 32 stehen die Wellenleiterröhre 14 und der Sensor 30 miteinander in Kontakt. Vorzugsweise kann die Befestigungsplattform 32 aus Metall hergestellt sein, um einen Temperaturgradienten zu verringern, der zwischen der Wellenleiterröhre 14 und dem Infrarot-Strahlungssensor 30 vorhanden ist. Die Wellenleiterröhre 14 wird ebenfalls bevorzugt aus Metall hergestellt und weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei kann sie an ihrer inneren und/oder äußeren Oberfläche mit einer Goldbeschichtungversehen sein, also auch außen, um auf diese Weise das bezogen auf die Wärmestrahlung vorhandene Reflexionsvermögen &ggr; zu erhöhen. Sämtliche inneren und zuvor erwähnten Sensoreinrichtungen befinden sich innerhalb einer metallischen Abschirmung 24. Dabei stützt sich
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die Wellenleiterröhre 14 über eine Trennmatte 26 bzw. Trennhülse an der metallischen Abschirmung 24 ab und kann über die Trennmatte 26 bzw. Hülse an der metallischen Abschirmung 24 befestigt sein. Somit wird während der Übertragung von Wärmestrahlung, die mit dem erfindungsgemäßen Infrarot-Thermometer gemessen werden soll, jede andere Wärmestrahlung von irgendeinem anderen Ort als den zu beobachtenden Meßort daran gehindert, in die Wellenleiterröhre 14 einzutreten, da diese hinreichend gegenüber schädlicher Wärmestrahlung isoliert it, und zwar sowohl durch den Abschirmeffekt des Gehäuses 104, zu dem die Abschirmung 24 gehört, um Elektronen und durch Wärme erzeugtes Rauschen auszuschließen, sowie andererseits durch die wirksame Isolationseigenschaft der Wellenleiterröhre 14 selbst, in die somit nur Wärmestrahlung eintreten kann, wenn diese durch eine zum Meßobjekt gerichtete Endöffnung der Wellenleiterröhre fällt. Hier handelt es sich um diejenige Endöffnung, die von derjenigen Öffnung der Wellenleiterröhre 14 entfernt liegt, an welcher die Wellenleiterröhre 14 mit dem Infrarotsensor 30 in Kontakt steht. Die Temperatur eines Objekts oder diejenige eines Teils des menschlichen Körpers kann somit dadurch gemessen werden, daß das Objekt oder der genannte Teil des menschlichen Körpers an einer Seite bzw. an einem Ende der Wellenleiterröhre 14 positioniert wird, das entfernt vom Infrarotsensor 30 liegt, so daß Wärmestrahlung vom Objekt bzw. zu messenden Teil des menschlichen Körpers wirksam durch die Wellenleiterröhre 14 hindurch zum Infrarotsensor 30 übertragen werden kann.
Weiterhin befinden sich Lufträume 1 zwischen der Befestigungsplattform 32 und der Abschirmung 24, zwischen der Abschirmung 24 und der Wellenleiterröhre 14 sowie zwischen der Abschirmung 24 und dem Gehäuse 104, so daß sich eine wirksame Verbesserung der Isolation gegenüber äußerer Wärme ergibt sowie eine bessere Wärmeisolation der Elemente untereinander, wodurch sich das Signalrauschverhältnis vergrößert. Zusätzlich kann ein Filter 106 die Abschirmung 24 umgeben, und zwar ausgehend von einem Bereich in der Nähe des Sensors bis zum Ende der Abschirmung 24, wo die Wärmestrahlung in die Wellenleiterröhre 14 eintritt, um die Wellenleiterröhre 14 gegenüber Beschädigung und Verschmutzung
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zu schützen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich eine abnehmbare Abdeckung 108 auf dem vorderen Ende des Prüfkopfs 10 befinden, um das Ohr-Thermometer bzw. Infrarot-Thermometer gegen Verschmutzung zu schützen. Der Filter 106 bzw. die Abdeckung 108 sind vorzugsweise aus PVC oder PAC hergestellt.
Im Hinblick auf das Wärmerauschen, das beim erfindungsgemäßen Thermometer auftritt, sollen nachfolgend die Faktoren näher diskutiert werden, die die Temperaturmessung fehlerhaft beeinflussen können:
10
(1) Die Länge der Wellenleiterröhre: Je größer die Länge L der Wellenleiterröhre ist, desto größer ist der Meßfehler. Mit anderen Worten ist der Meßfehler Err proportional zur Länge L.
(2) Die Wanddicke der Wellenleiterröhre: Je dicker die Wand der Wellenleiterröhre ist, desto kleiner ist der sich über die Wand quer erstreckende Temperaturgradient. Mit anderen Worten ist der Meßfehler Err umgekehrt proportional zur Wanddicke T der Wellenleiterröhre.
(3) Die Reflexionsfähigkeit der Wellenleiterröhre: Je höher die Reflexionsfähigkeit &ggr; bzw. das Reflexionsvermögen ist, desto näher liegt die Reflexion der vom Target emittierten Wärmestrahlung bei der Gesamtreflexion. Das bedeutet, daß der Fehler Err umgekehrt proportional zum Reflexionsvermögen &ggr; ist. Um ein hohes Reflexionsvermögen im Innern der WeI-lenleiterröhre zu erreichen, wird die Innenwand der Wellenleiterröhre poliert, so daß eine spiegelnde Oberfläche entsteht. Auf diese spiegelnde Oberfläche wird dann eine dünne Schicht aus Gold aufgebracht, so daß sich das Reflexionsvermögen an der inneren Oberfläche der Wellenleiterröhre erheblich vergrößert.
(4) Die Fähigkeit der Abschirmung, Wärme zu verteilen bzw. abzuleiten: Um zu verhindern, daß durch die Temperatur eines nicht ausgewählten Objekts die Temperatur der Wellenleiterröhre beeinflußt wird, ist vorgesehen, durch Isolation der Wellenleiterröhre den Eintritt von Wärmestrah-
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lung zu verhindern, die vom nicht ausgewählten Objekt emittiert wird, etwa von einem Trommelfell oder menschlichen Ohr. Das vordere Ende der Abschirmung, das die Wellenleiterröhre umgibt, kann als Wärmeleitungsbereich 242 angesehen werden, der die Wärme ableitet. Dieser Bereich 242 sollte auch in Verbindung mit dem Wärmeverteilungsbereich 244 im Endabschnitt der Abschirmung 24 stehen, um so viel Wärme wie möglich abführen zu können. Der Fehler bei der Temperaturmessung korrespondiert daher mit den Massen M&igr; und M2 des jeweiligen Wärmeleitungsbereichs 242 und des Wärmeverteilungsbereichs 244. Mit anderen Worten ist der Fehler Err = f (M^, M2). Somit ist es erforderlich, daß M2 sehr viel größer als Mi sein sollte, um eine schnelle Ableitung bzw. Verteilung unnötiger Wärme sicherzustellen und damit den Einfluß dieser Wärme auf das Meßergebnis zu minimieren.
(5) Die Isolationseigenschaft des Gehäuses des Prüfkopfs: Der Temperaturmeßfehler läßt sich dadurch verringern, daß das Gehäuse gegenüber Wärmestrahlung aus der Umgebung isoliert wird. Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Prüfkopfs besteht daher vorzugsweise aus einem Material, das eine gute Wärmeisolationseigenschaft aufweist.
Unter Berücksichtigung der o. g. fünf Faktoren ergibt sich die folgende Korrelation zwischen dem Meßfehler Err und den Größen L, T, Mj und M2:
Hierin sind ki und k.2 Konstanten, während &lgr;\ und \<i die jeweiligen Wärmeleitungen bezogen auf den Wärmeleitungsbereich 242 und den Wärmeverteilungsbereich 244 des Prüfkopfs 10 sind.
30
Wird das obige Ergebnis in die Praxis umgesetzt, so ergibt sich für den erfindungsgemäßen Prüfkopf 10 vorzugsweise folgender Aufbau: Das Verhältnis der Länge L zu der Wandbreite bzw. Wanddicke T der Wellenleiterröhre 14 sollte kleiner sein als die Zahl 21, was bedeutet, daß folgendes
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gilt: (L/T < 21). Beispielsweise könnte die Länge der Wellenleiterröhre 14 bei 2 cm liegen, während die Wanddicke bei 0,1 cm liegen könnte. Darüber hinaus sollte das Massenverhältnis M2 : M^ von Wärmeverteilungsbereich 244 zu Wärmeleitungsbereich 242 größer sein als 10. Es sollte also gelten: (M2/M1 > 10). Durch diese Maßnahmen läßt sich also der Fehler bei der Meßtemperatur minimieren. Nicht zuletzt sollte das Reflexionsvermögen des Materials, aus dem die Wellenleiterröhre 14 hergestellt ist oder mit dem sie beschichtet ist, größer als 95 % sein.

Claims (4)

TERMEER STEINMFfSTTETl &PAF?TNER GbR -10" Chao-Wang CHEN Case: GEO462 21.4.1999 Schutzansprüche
1. Prüfkopf (10) für ein Infrarot-Thermometer, wobei der Prüfkopf (10) folgendes enthält: einen Infrarot-Sensor (30); eine Wellenleiterröhre (14), die von einem Target emittierte Infrarotstrahlung zum Infrarot-Sensor (30) führt; sowie einen Warmeleitungs-/Wärmeverteilungsbereich (24) zwischen dem Gehäuse (104) des Prüfkopfs (10) und der Wellenleiterröhre (14), um zu verhindern, daß Wärmestrahlung von nicht ausgewählten Targets die Leitfähigkeit der Wellenleiterröhre (14) beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wellenleiterröhre (14) die Form eines Hohlzylinders aufweist, aus einem Metall mit hohem Reflexionsvermögen hergestellt ist und ein Verhältnis von Länge (L) zu Breite bzw. Wanddicke (T) besitzt, das kleiner als 21 ist; und
die Masse (M2) des Wärmeverteilungsbereichs (244) größer ist als die Masse (Mj) des Wärmeleitungsbereichs (242) des Warmeleitungs-/War meverteilungsbereichs (24).
2. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsvermögen des Metalls größer als 95 % ist.
3. Prüfkopf nach Anspruch 1 .oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Wellenleiterröhre (14) bei 2 cm liegt und ihre Wanddicke 0,1 cm beträgt.
4. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenverhältnis (M2/MJ) von Wärmeverteilungsbereich (244) zu Wärmeleitungsbereich (242) des Warmeleitungs-/Wärmeverteilungsbereichs (24) größer als 10 ist.
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