DE3107668C2 - Temperaturmeßverfahren - Google Patents

Abstract

Das von den einzelnen Teilen des Meßbereichs ausgesandte Licht wird gemessen und zur Erstellung eines Temperaturmusters benutzt. Das Licht durchläuft erste optische Filter (21) und zweite optische Filter (22), die jeweils unterschiedliche Wellenlängen durchlassen. Die Amplituden der von den Filtern (21, 22) durchgelassenen Strahlungsenergien werden ermittelt, indem das Licht hinter den Filtern mit einer oder mehreren Bildaufnahmevorrichtungen (1) aufgenommen wird, deren Ausgangssignale einer arithmetischen Einheit (6) zugeführt werden. Die arithmetische Einheit (6) führt eine Zweifarben-Temperaturbestimmung für die einzelnen Teile des zwei-dimensional abgebildeten Meßbereichs durch. Das erhaltene Temperaturmuster des Meßbereichs wird aus den Temperaturen der einzelnen Teile zusammengesetzt. Eine Überwachungseinheit für die Schweißzone eines Rohres, dessen Schweißnaht elektrisch erzeugt wird, wird zur Erzeugung eines zusammengesetzten Bildes benutzt, das die Form der Schweißzone und gleichzeitig das Temperaturmuster wiedergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmeßverfahren, nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren.

Zur Durchführung einer berührungslosen Temperaturmessung unter Ausschaltung der Umgebungseinflüsse ist es bekannt die Verhältnispyrometrie anzuwenden (DE-AS 19 47 791, DE-AS 24 05 651). Dabei werden durch zwei verschiedene Fotoelemente die Teilstrahlungsdichten unterschiedlicher Wellenlängen, die von dem Meßobjekt ausgehen, ermittelt und in einer Divisionsschaltung wird der Quotient zwischen beiden Teilstrahlungsdichten gebildet. Da beide Teilstrahlungen den gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, werden durch die Division die Umwelteinflüsse eliminiert. Die Messung eines Temperaturmusters bzw. einer Temperaturverteilung ist mit zwei solchen Fotoelementen aber nicht möglich.

Zur Messung und Darstellung einer Temperaturverteilung ist es bekannt, das Bild des Meßobjektes mit einer Videokamera aufzunehmen, die einen Detektor enthält, der auf das gesamte Spektrum des Infrarotbandes anspricht (DE-OS 27 51 643). Das Temperaturverteilungsbild wird einerseits auf einem Bildschirm zur Anzeige gebracht und andererseits mit dem gespeicher-

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ten Wert der Temperaturverteilung eines idealen Meß- gungsverhaltens zwischen Meßobjekt und Aufnahmeobjektes verglichen. Bei diesem Meßverfahren wirken vorrichtung eliminiert werden. Es ist daher möglich, die sich Störfaktoren, wie Dunst oder Staub, die sich in der Bilder des Meßobjektes über einen Bildleiter zur AufUmgebung des Meßobjektes befinden, vermischend auf nahmeeinrichtung zu übertragen. Ferner kann das Temdas Meßergebnis aus. 5 peratunnuster eines kleinen Bereichs oder dasjenige in

Schließlich ist es bekannt, die von einem Meßobjekt einer Vertiefung ermittelt werden, auch dann, wenn die ausgehende Strahlung über eine rotierende Filterschei- Vertiefung von außenher nicht direkt einsehbar ist Das be und ein Interferenzfilter auf einen Fotodetektor zu Auflösungsvermögen kann bis zur Grenze des Lichtleiten (US-PS 38 06 249). Das Durchlaßvermögen des empfangsteils der Videokamera vergrößert werden. Die InterferenzOlers ist für zwei verschiedene Farben ein- io erfindungsgemäßen Vorrichtungen arbeiten im Verstellbar. Am Fotodetektor werden die Meßwerte für die gleich mit konventionellen berührungslosen Meßvorunterschiedlichen Wellenlängen nacheinander erzeugt richtungen mit vergrößerter Zuverlässigkeit Sie ermög-Die Objekttemperatur wird nicht durch Verhältnisbil- liehen die genaue Bestimmung des Temperaturmusters dung der beiden Energiegrößen ermittelt sondern da- eines Objektes, das starken Temperaturschwankungen durch, daß das Interferenzfilter um einen solchen Win- 15 unterliegt z. B. elektrisch geschweißter Rohre, die in kel verschwenkt wird, daß die beiden Energiegrößen einer Produktionslinie geschweißt werden, einander gleich sind. Aus dem Schwenkwinkel kann Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die dann die Temperatur ermittelt werden. Dies ist ein lang- Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher sames Verfahren, welches vom Prinzip her ungeeignet erläutert Es zeigt

ist eine Temperaturverteilung zu messen, weil bei einer 20 F i g. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten

Verteilungsmessung das Interferenzfiher zwar so einge- Ausführungsform der Temperaturmuster-Meßeinrich-

stellt werden könnte, daß die Energiegrößen für einen tung.die nachdem ersten System arbeitet

einzelnen Bildpunkt im Gleichgewicht sind, jedoch für Fi g. 2 eine schematische Darstellung des Musters ei-

alle übrigen Bildpunkte ein solches Gleichgewicht nicht nes optischen Filters,

unbedingt vorhanden wäre. 25 Fig. 3 ein Bockschaltbild eines Videosignal-Prozes-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver- sors, der nach dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 be-

fahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 nutzt wird,

und 2 anzugeben, das zur schnellen Ermittlung der Tem- F i g. 4 eine Darstellung der Wellenform eines Video-

peraturverteilung geeignet ist signals,

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß 30 F i g. 5 eine schematische Darstellung des Inhalts ei-

durch zwei verschiedene Varianten, die in den kenn- ner Speichervorrichtung,

zeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 2 ange- F i g. 6 ein Flußdiagramm der arithmetischen Einheit

geben sind. Fig. 7 ein detailliertes Flußdiagramm eines Teiles

Nach der Erfindung erfolgt eine Videoabtastung des von F i g. 6, Meßobjektes durch zwei verschiedene Filter hindurch, 35 Fig.8 eine schematische Darstellung des Inhalts ei-

wobei für jeden Fiächenbereich die beiden Filtersignale ner Speichervorrichtung,

gleichzeitig erzeugt werden. Dies ist dadurch möglich, F i g. 9 eine schematische Darstellung einer zweiten

daß Filter mit unterschiedlichen Durchlaßbereichen Ausführungsform der Temperaturmuster-Meßeinrich-

verwendet werden und nicht Fotoelemente mit unter- tung zur Ausführung des Verfahrens nach dem zweiten

schiedlichen Spektralempfindlichkeiten. Eine oder meh- 40 System,

rere Videokameras erzeugen entsprechend den beiden F i g. 10 eine graphische Darstellung der Beziehungen

Filtern für jeden Flächenbereich des Meßobjektes zwei zwischen den Amplituden der ein optisches Filter durch- Werte, die anschließend verarbeitet werden. Damit ist laufenden Wellenformen,

es möglich, die Temperaturverteilung mit hoher Auflö- F i g. 11 eine Darstellung der Ausgangswellenformen

sung und Genauigkeit in kürzester Zeit zu erhalten. Das 45 zur Erläuterung einer Schaltung zur Bereinigung eines

Meßobjekt wird durch zwei verschiedene Filter be- Videosignals unter teilweiser Signalentfernung,

trachtet und die beiden entstehenden Bilder werden in F i g. 12 eine beispielsweise Darstellung eines Rasters

bezug auf jeden der Flächenbereiche des Meßobjekts zur Verdeutlichung des Abtastbereichs einer Bildauf-

miteinander verarbeitet. nahmevorrichtung,

Bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Ver- 50 Fig. 13 eine Draufsicht auf die Anordnung der Ob-

fahrens wird eine Filtermaske benutzt, deren Felder un- jektive bei einer Herstellungslinie für elektrisch ge-

terschiedliches Durchlaßverhalten haben. Jeweils zwei schweißte Rohrnähte,

Felder werden zwar gleichzeitig beleuchtet, von der Vi- F i g. 14 eine schematische Darstellung des Anzeige-

deokamera aber in zeitlicher Folge abgetastet. musters auf einem Monitor,

Bei der zweiten Variante werden zwei Videokameras 55 Fi g. 15 eine vergrößerte Darstellung der Beziehung

benutzt, die gleichzeitig über denselben Strahlenteiler zwischen den empfangenen Bildern und den Abtastli-

auf das Meßobjekt gerichtet sind. nien,

Vorteilhafte Vorrichtungen zur Durchführung der er- F i g. 16 eine perspektivische Darstellung des Niveaus

sten Verfahrensvariante sind in den Unteransprüchen 3 des der Abtastlinie entsprechenden Videosignals ent-

bis 5 und Vorrichtungen zur Durchführung der zweiten κη sprechend der Stellung des elektrisch nahegesrhwRiß-

Verfahrensvariante sind in den Unteransprüchen 6 und ten Rohres,

7 beschrieben. Unteranspruch 8 bezieht sich auf jede Fig. 17 die Wellenformen der Ausgangssignale des

der beiden Verfahrensvarianten geeignete Weiterbil- !Comparators 71,

dung der Vorrichtung. Fig. 18 eine graphische Darstellung der Beziehung

Die Erfindung ermöglicht die Anwendung der Ver- 65 zwischen den Stellungen auf der Abszisse X zu den

hältnispyrometrie zur Erzeugung von Videobildern, die Abmessungen zwischen den einander gegenüberliegen-

die Temperaturvertiefung eines Flächenbereichs wie- den Kanten,

dergeben, wobei die Einflüsse des optischen Übertra- Fig. 19 eine Ansicht zur Verdeutlichung des Prinzips

der Berechnung eines V- Winkels,

F i g. 20 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Temperatur-Meßvorrichtung,

F i g. 21 und 22 die Muster von Rotationsfiltern und

F i g. 23 (A), (B) und (C) ein Flußdiagramm des Mikrocomputers.

Im folgenden wird nun zunächst ein Temperatur-Meßverfahren unter Verwendung des ersten Systems beschrieben. Bei diesem Verfahren ist in einem Lichtweg innerhalb oder außerhalb einer Bildaufnahmevorrichtung ein optisches Filter angeordnet. Dieses Filter weist erste und zweite Felder auf, die in einem vorgegebenen Muster kombiniert sind. Durch diese Felder laufen erste und zweite Lichtkomponenten hindurch, deren Wellenlängen voneinander unterschiedlich sind. Für jeden zwei Feldern entsprechenden Flächenbereich wird eine Zweifarben-Temperaturoperation in jedem von der Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenen Feld durchgeführt

Hierbei wird das Licht benutzt, das durch das erste und das zweite Filterfeld hindurchgelaufen ist und die Temperatur wird in jedem einer derartigen Zone entsprechenden Bereich des Objektes bestimmt, wodurch ein Temperaturmuster entsteht

Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 7 wird nun eine Temperatur-Meßeinrichtung beschrieben, die nach dem oben erwähnten Verfahren arbeitet

F i g. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Temperaturmuster-Meßeinrichtung, bei dem IVdas Objekt bezeichnet, dessen Temperaturmuster gemessen werden soll. Die auf das Objekt gerichtete Videokamera ist mit 1 und die zur Anzeige eines Bildes der Videokamera I benutzte Kathodenstrahlröhre (CRT) mit 3 bezeichnet. Das von der Videokamera 1 erzeugte Videosignal wird einer Verarbeitungsschaltung 4 zugeführt, die Signale an einen Speicher 5 und weitere Signale an eine arithmetische Einrichtung 6 liefert weiche aufgrund des Inhalts des Speichers S und des Ausgangssignales der Verarbeitungsschaltung 4 eine Zweifarben-Temperaturbestimmung ausführt

Die Videokamera 1 enthält eine Bildaufnahmeröhre, deren dynamischer Bereich hinreichend groß ist um das Licht der Wellenlängen λ\ und Xl zu empfangen, die das noch im einzelnen zu erläuternde optische Filter 2 passieren. Für diesen Zweck eignet sich beispielsweise ein Siliconvidicon oder Cha'nicon für die Anwendung im Bereich des sichtbaren Lichts. Eine derartige Bildaufnahmeröhre sowie ein Festbild-Aufnahmeelement beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung kann benutzt werden, wenn sie eine gute Spektralempfindlichkeit hat Die Aufnahmeeinheit sollte ferner eine Steuereinheit zur Ausgabe eines zusammengesetzten Videosignals aufweisen, das ein Bildsignal, das Horizontal-Synchronisierungssignal und das Vertikal-Synchronisierungssignal umfaßt

Das in F i g. 2 dargestellte optische Filter 2 hat die Form eines Rechtecks, das mit dem Sichtfeld der Videokamera 1 übereinstimmt jedoch nicht unbedingt bestimmte Abmessungen haben muß. Beispielsweise können die Abmessungen des Filters 2 etwa 18 χ 24 mm betragen, wenn das effektive Sichtfeld ein Kantenverhältnis von 3 :4 hat Das optische Filter 2 enthält eine Reihe von ersten Filterfeldern (unschraffiert) und zweiten Rlterfeldern (schraffiert) in Form kleiner rechteckiger oder quadratischer Felder gleicher Größen. Diese Felder sind in Matrixform abwechselnd (schachbrettartig) horizontal und vertikal angeordnet entsprechend der Einrichtung in der Bildaufnahmevorrichtung zur Erkennung des in die Aufnahmevorrichtung eintretenden Lichts. Zwischen den ersten und den zweiten Filterseg* menten sind streifenförmige Schattenzonen 23 zur Blök· kierung des Lichtdurchgangs angeordnet. Die ersten und die zweiten Filtersegmente sind optische Bandpaßfilter, deren Wellenlängen in der Mitte des jeweiligen Durchlaßbereichs /Zl und /22 betragen. Die Filterfelder haben in ihren Durchlaßbereichen jeweils eine hohe Durchlässigkeit und eine geringe Bandbreite, um die Messung mit hoher Genauigkeit durchführen zu können. Vorzugsweise werden anstelle von Absorptionsfil· tern Interferenzfilter benutzt. Ein derartiges optisches Filter 2 hat unter der Annahme, daß Xx <Xl ist, in den Bereichen der Filterfelder 21 Tiefpaßfilter, die Licht mit einer Wellenlänge von etwas unterhalb bis etwas oberhalb von λ\ durchlassen, und in den aus den Filterfeldern 22 bestehenden Bereichen Hochpaßfilter, die Licht mit geringfügig unter bis geringfügig über der Wellenlänge Xl liegenden Wellenlängen durchlassen. Die Fläche des Filters 2 besteht auf diese Weise aus einem komplexen Muster aus Bandpaßfiltern, die Licht mit Wellenlängen in einem schmalen Band um die mittlere Wellenlänge X\ herum und Licht in einem schmalen Band um die mittler re Wellenlänge Xl herum durchlassen.

Das Muster aus den Filterfeldern 21 und 22 ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es können auch andere Formen von Längsoder Queranordnungen verwendet werden. Die Größe der jeweiligen Filterfelder 21 und 22 bestimmt die Auf lösung, so daß es zweckmäßig ist, die Filterelemente so klein wie möglich zu machen. In der Praxis wird die Größe der Filterfelder durch die Herstellungstechniken für optische Filter und auch durch die Speicherkapazität des Speichers 5 und die Rechengeschwindigkeit der arithmetischen Einheit 6 bestimmt Bei dem vorliegendem Ausführungsbeispiel sind die Filterfelder 21 und 22 rechteckig und die Anzahl der Filterelemente in der Matrix beträgt in vertikaler Richtung 128 und in horizontaler Richtung ebenfalls 128. Die Schattenzonen ha- ben jeweils eine Breite von etwa 40 μπι.

Die Wellenlängen Ai und Xl werden entsprechend der Spektralempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinheit, der zu messenden Temperatur des Objektes IV und der umgebenden Atmosphäre gewählt

Die Verarbeitungseinheit 4 für das Videosignal trennt aus den von der Videokamera 1 empfangenen Videosignalen die Bildsignale heraus und unterscheidet zwischen denjenigen Bildsignalanteilen, die den ersten Filterfeldern entsprechen, und denjenigen Bildsignalantei- Ien, die den zweiten Filterfeldern entsprechen. Sie gibt außerdem ein zwei-dimensionales Positionssignal aus, um die Zuordnung eines jeden Bildsignalanteils zu dem zugehörigen Filterfeld festzuhalten.

F i g. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer

Ausführungsform der Verarbeitungseinheit 4 für das Videosignal und F i g. 4 zeigt eine Wellenform des Videosignals VDS mit Negativmodulation. Das Videosignal VDS enthält Vertikal-Synchronisiersignale VS, die (bei sequentieller Abtastung) einmal oder (bei Sprungabta stung) zweimal in jedem Fernsehbild erscheinen, Hori- zontal-Synchronisiersignale HS, die einmal pro Abtastzeile erscheinen, und Bildsignale PS, deren Amplitude der Helligkeit des betreffenden Bildpunktes entspricht Die Bildsignale PS enthalten Signalkomponenten PS 1 und PSZ die die Helligkeit oder Dunkelheit der Oberflächenbereiche des Objekts W an den Stellen der jeweiligen Filtersegmente angeben, d. h. Daten, die der Strahlungsenergie an dem jeweiligen Bildpunkt oder

Bildbereich der Objektoberfläche entsprechen. Die Information erhält man für jede Abtastperiode der Abtastung der Lichtbereiche des Objektes, aus dem Licht, das vom Objekt aus durch die ersten und zweiten Filtersegmente hindurchläuft. Die Signalkomponente PS3 zwischen den Komponenten PSl und PS 2 ist auf die Schattenzonen 23 zurückzuführen und gibt an, daß die Schattenzonen 23 dunkel bzw. lichtundurchlässig sind. Die Filterfelder 21 und 22 sind abwechselnd horizontal angeordnet und zwischen ihnen befinden sich die Schattenzonen 23, so daß die Signalanteile des Bildsignals in der Reihenfolge PS 1, PS 3, PS 2, PS 3, PSi... auftreten. Die Signalkomponenten zwischen den Segmenten PS3 haben kleinere und schwarze Niveaus und selbst wenn nur ein wenig Licht durch die Filterfelder 21 und 22 hindurchgeht, wird jede Schattenzone 23 aufgrund ihrer Undurchlässigkeit erkannt, so daß die Signalkomponente PS 3 zwischen den Feldern 21 und 22 eine größere Amplitude hat als in diesen Feldern.

In der das Videosignal VDS empfangenden Verarbeitungseinheit 4 zieht ein Steuersignalgenerator 41 die Vertikal-Synchronisiersignale VSheraus und gibt jedesmal, wenn ein neues Bild beginnen soll, ein Bildwechselsignal TP aus, das der arithmetischen Einheit 6 zugeführt wird. Das Videosignal VDS wird ferner dem Steuersignalgenerator 42 zugeführt, der Positionssignale TS erzeugt, die die Stellung des jeweiligen Bildpunktes in einem zwei-dimensionalen Koordinatensystem angeben. Das Signal TS wird ebenfalls der arithmetischen Einheit 6 zugeführt. Der Steuersignalgenerator 42 gibt darüberhinaus Torsteuersignale TG aus, die den jeweiligen Toren 43 und 44 zugeführt werden. Die Torsteuersignale TG öffnen die jeweiligen Tore mit Hoch-Signalen, während Lichtanteile des Objektes, die durch das jeweilige Filtersegment 21 oder 22 hindurchgehen, abgetastet werden. Die Tore 43 und 44 führen also den ihnen nachgeschalteten Generatoreinheiten 45 und 46 jeweils diejenigen Anteile des Videosignals zu, die den Bildsignalanteilen PSi und PS 2 der durch die jeweiligen Filtersegmente 21 und 22 hindurchgegangenen Wellenlängen entsprechen. Auf diese Weise werden der Datengeneratoreinheit 45 nur die Bildsignale PSi und der Datengeneratoreinheit 46 nur die Bildsignale PS 2 zugeführt Die Datengeneratoreinheiten 45 und 46 bestehen aus Spitzenwerthalteeinheiten und Analog/Digital-Umsetzern und halten jeweils den Minimumwert (der Spitzenwert ist das Weiß-Niveau) der jeweiligen Signalkomponenten PS i und PS 2 fest, während das betreffende Tor 43 bzw. 44 geöffnet ist, und liefern Ausgangskomponenten PSi und PS 2 an den Speicher 5, in welchen die Ausgangskomponenten über einen Analog/Digital-Umsetzer jedesmal dann eingeschrieben werden, wenn die Tore 43 und 44 schließen. Die eingeschriebenen Daten IVDl und WD 2 stellen also die den Wellenlängen Ä\ und A2 entsprechenden Werte der von der Oberfläche des Objekts ausgehenden Strahlungsenergie dar, die den oben beschriebenen Bildsignalanteilen entsprechen, welche von den Filterfeldern 21 und 22 durchgelassen werden.

Das Positionssignal TS ist ein Impulssignal, das der Komponente PS 3 entspricht und wird als Einschreib-Adresseninformation der arithmetischen Einheit 6 zugeführt Die Torsteuersignale TG entstehen als Ausgangssignale von Flip-Flops, die die Steuersignalgeneratoreinheit 22 bilden und von den Signalen PS 3 getriggert werden.

Wenn die arithmetische Einheit 6 die Einschreibung von Daten in den Speicher 5 veranlaßt, werden die Daten eines Bildes in den Speicher 5 eingeschrieben. Das Einschreiben der Daten des Bildes beginnt in dem Augenblick, in dem das Bildwechselsignal TP zugeführt wird. Der Speicher 5 speichert die Daten WD1 und WD 2 in den den Positionssignalen TS entsprechenden Adressen. Beispielsweise erfolgt das Einschreiben in der Weise, daß bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung der Filterfelder 21 und 22 in dem optischen Filter 2 das Objekt Wso dargestellt wird, wie es von der Bildaufnahmeeinheit 1 gesehen wird, und der Lichtanteil, der durch das Filterfeld 21 in der oberen linken Ecke hindurchgeht, d. h. in der ersten Zeile und ersten Spalte, wird abgetastet. Der diesem Bereich entsprechende Wert WD1 wird in den Speicher 5 eingespeichert und wird durch das Positionssignal TS dem in der betreffenden Position stehenden Filterfeld 21 zugeordnet. In der betreffenden Speicheradresse wird also das Positionssignal TS zusammen mit dem Helligkeitswert WD1 gespeichert.

Als nächstes wird dem Speicher 5 das Signal desjenigen Lichtanteils zugeführt, der durch das nächste Filterfeld 22 zur Rechten (d. h. in der ersten Zeile und der zweiten Spalte) hindurchgegangen ist, und der dieser Stelle entsprechende Wert VVD 2 wird dem Speicher 5 zugeführt. Das dem Filterfeld 22 entsprechende Positionssignal TS wird in die entsprechende Adresse eingespeichert. Auf diese Weise erscheint am Ende des Einschreibens der Daten einer Zeile des Filters ein Horizontal-Synchronisiersignal HS, das bewirkt, daß der Elektronenstrahl der Aufnahmeeinheit 1 an das linke Ende des Filters zurückkehrt. Der nächste Abtastvorgang beginnt entweder mit dem Filterfeld 21 an der linken oberen Ecke oder dem direkt darunter liegenden Filterfeld 22 in der zweiten Zeile, erste Spalte, was im einzelnen von der Größe des Filterfeldes, der Anzahl der Abtastlinien sowie davon abhängt, ob eine sequentielle Abtastung oder eine Sprungabtastung durchgeführt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Abtastdichte und die Felder so bemessen, daß jede Felderzeile in jedem Bild einmal abgetastet wird. Diese Schritte werden wiederholt, um die Daten für ein komplettes Bild in den Speicher 5 einzuspeichern, so daß der Speicher 5 die Werte der Strahlungsenergie mit den jeweiligen Wellenlängen Al und Xl von den entsprechend den Filterfeldern 21 und 22 aufgeteilten Oberflächenbereichen des Objekts W sortiert und speichert. Der gespeicherte Wert, der der maximalen Helligkeit in dem Raster entspricht, stellt den Wert der Strahlungsenergie dar. Auf diese Weise kann der Inhalt des Speichers 5 in dem Muster der Filterfelder 21 und 22 gemäß F i g. 5 ausgedrückt werden. In F i g. 5 stellen Sij(i,j = 1, 2...n, wobei π = 128) die Werte der den Wellenlängen λ\ bzw./ί2 entsprechenden Strahlungsenergien dar, die das Filterfeld in der Zeile /und der Spalte j im optischen Filter 2 passieren.

Die arithmetische Einheit 6 liest den Speicherinhalt des Speichers aus und führt eine Zweifarben-Temperaturbestimmungsoperation mit den Daten jeweils zwei benachbarter Filterfelder durch. Wenn beispielsweise ε,.

j den Wert für die Wellenlänge Al des Filterfeldes 21 darstellt bildet fj y+i den Wert für die Wellenlänge Λ2 des nächst-benachbarten Filterfeldes 22. Die bekannte Zweifarben-Temperaturoperationsgleichung (1) gibt eine Temperatur T{°K] für denjenigen Bereich des Objektes an, von dem die Lichtanteile mit den obigen Daten kommen.

(i)

worin α und β Konstante sind, die jeweils durch A 1 und A bestimmt werden. Dei Gleichung (1) gilt ferner, weil die Beziehung zwischen dem Energieverhältnis ε-,, /ει, y+i und der Temperatur Tin der Praxis annähernd linear ist. Auf diese Weise berechnet die arithmetische Einheit 6 die Temperaturen für die einzelnen Bereiche sequentiell, so daß ein Temperaturmuster für das ganze Bild oder Abtastfeld entsteht, d. h. diejenige Fläche, die im Sichtbereich der Videokamera 1 liegt. Die Ergebnisse werden an einem Anzeigegerät, beispielsweise einer (nicht dargestellten) Kathodenstahlröhre, angezeigt is oder von einem Schreibgerät oder Drucker als sichtbare Information aufgezeichnet

Fig.6 zeigt ein Flußdiagramm der arithmetischen Einheit 6. Wenn die arithmetische Einheit 6 ein Bildwechselsignal TP empfängt, wird die Anfangsadresse des Speichers 5 auf den Adressenzähler in der arithmetischen Einheit 6 eingestellt und jedesmal, wenn sie das Positionssignal TS empfängt, wird der Wert WD1 oder WD 2 eingeschrieben und die Adresse geändert. Wenn 2 TS = n² wird, d. h. daß alle Felder abgetastet worden sind, wird der Dateneinschreibvorgang beendet und der Temperaturbestimmungsvorgang beginnt. F i g. 7 zeigt ein Flußdiagramm dieses Vorganges.

Alternativ kann der Speicher 5 eine Speicherkapazität haben, die so groß ist, daß die Daten für zwei Bilder festgehalten werden können. Hierbei wird die Datenspeicherung für das nächste Bild durchgeführt, während die Daten des vorhergehenden Bildes für die arithmetische Operation festgehalten werden. Dadurch ist es möglich, alle V30 s eine Messung durchzuführen, wenn ein Fernsehsystem benutzt wird, das eine Kapazität von 30 Bildern pro Sekunde hat

Es ist auch möglich, ein Schreibgerät oder einen Drucker zu verwenden und die Mittelwerte für mehrere Bilder auszudrucken. Ferner kann die arithmetische Einheit anstelle der Ausführung eines Zweifarben-Temperaturbestimmungsvorganges, unter Verwendung der Daten der Energieniveaus für die Wellenlängen AX und Xl, bei jeder Messung auch eine Zweifarben-Temperaturbestimmung auf der Basis des Mittelwertes mehrerer Meßvorgänge oder des Maximalwertes durchführen, wenn eine typische Temperaturverteilung über einen größeren Bereich ermittelt werden soll. Wenn die Anzahl der Filterfelder klein ist, kann die arithmetische Einheit auch als analog arbeitende Einheit ausgebildet sein.

F i g. 8 zeigt bei einem anderen Ausführungsbeispiel den Erfassungsbereich der Videokamera unterteilt in zwei Matrizen mit η Zeilen und m Spalten. Hierbei entspricht η der Anzahl der Abtastzeilen und m der Anzahl der Abtastspalten eines Bildes. Die Bereiche der Aufnahmeeinheit empfangen das Licht, das durch die jeweiligen optischen Filter 21' und 22' hindurchgegangen ist, so daß i-'ij und S²^(Z= \,2...n,j = \,2...m) die Werte der Strahlungsenergien der Wellenlängen A\ und Xl darstellen, die von den Bereichen in der Zeile / und der Spaltender Aufnahmeeinheit empfangen werden.

Die arithmetische Einheit 6 liest den Inhalt des Speichers 5, unter Benutzung der Daten der jeweiligen Adressen der beiden Adressengruppen und führt eine Zweifarben-Temperaturbestimmung aus. Zum Beispiel wird die Temperatur 7"{°K) an demjenigen Oberflächenbereich des Objektes, der der /-ten Zeile und der y-ten Spalte entspricht, durch die folgende Gleichung angegeben:

(2)

Nachdem die arithmetische Einheit 6 die Temperatur für die einzelnen Bereiche des Objektes sequentiell be· rechnet und beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre zuführt, um das Temperaturmuster sichtbar anzuzeigen und/oder aufzuzeichnen, erfolgt nach Beendigung der Verarbeitung der Daten der beiden Adressengruppen das Einschreiben der Daten der beiden nächsten Bilder.

Nachfolgend wird nun ein Temperatur-Meßverfahren nach dem zweiten System beschrieben. Bei diesem Verfahren wird das von dem Objekt kommende Licht von einer ersten und einer zweiten Bildaufnahmeeinheit gleichzeitig aufgenommen, nachdem es ein erstes bzw_t zweites optisches Filter, die jeweils unterschiedliche Durchlaßwellenlängen haben, durchlaufen hat

Die Daten der beiden Aufnahmeeinheiten werden zur Durchführung einer Zweifarben-Temperaturbestimmung für jeden Bereich des Objektes benutzt und die Temperaturen sämtlicher Bereiche des Objektes ergeben das Temperaturmuster dieses Objektes. Ein Ausführungsbeispiel für die zugehörige Vorrichtung wird nachfolgend erläutert

Fig.9 zeigt ein Blockschaltbild des optischen und elektrischen Systems der Vorrichtung. Das Meßobjekt 30, von dem das Temperaturmuster bestimmt werden soll, besteht aus einem Rohr, an dem eine elektrische Nahtschweißung durchgeführt werden soll. Auf das Rohr ist ein Objektiv 32 gerichtet, das am äußersten Ende eines Bildleiters 31 angeordnet ist Der Bildleiter 31 besteht aus zahlreichen optischen Fasern, von denen jede einen Durchmesser von etwa 25 μπι hat und die zu einem Bündel von etwa 5x6 mm Stärke zusammengefaßt sind. Hierdurch ergibt sich am Ende des Bündels ein konstantes Sichtfeld unter den optischen Bedingungen des Objektivs 32 und des Objekts 30. Der Bildleiter 31 erstreckt sich bis an ein Gehäuse 33 heran, so daß das Licht keine staubige und heiße Atmosphäre durchlaufen muß. Das rückwärtige Ende des Bildleiters ist so angebracht, daß die optische Achse des Bildleiters 31 mit der horizontalen optischen Achse der Bildaufnahmelinse 34 zusammenfällt Das Gehäuse 33 ist geschlossen, so daß es eine Dunkelkammer bildet In dem Gehäuse sind die Kameraköpfe 51a, 52a von Videokameras 51, 52 fur zwei-dimensionale Bilder und eine dritte Videokamera 53 für zwei-dimensionale Bilder angeordnet Auf der optischen Achse der Bildaufnahmelinse 34 sind ein Filter 35 mit 10% N. D. (neutrale Dichte), ein dichromatischer Spiegel 36 und der Kamerakopf 52a der zweiten Videokamera 52 angeordnet Das Filter 35 reflektiert 10% des auftreffenden Lichts, unabhängig von der Wellenlänge, und läßt das übrige Licht durch. Das Filter 35 ist unter einem Winkel von 45° schräggestellt so daß das Licht vertikal nach oben reflektiert und von der¹ dritten Videokamera 2 aufgenommen wird. Der dichromatische Spiegel 36 läßt Licht der Wellenlänge A3 (z. B. 650 nm) oder mehr durch und reflektiert Licht mit kleinerer Wellenlänge als A3. Der Spiegel 36 ist unter einem Winkel von 45° zur Bildaufnahmelinse 34 schräggestellt, so daß das Licht vertikal nach unten reflektiert und von dem Kamerakopf 51a der ersten Videokamera51 aufgenommen wird. Die dritte Videokamera 53 ist eine übliche Färb- oder Schwarzweiß-Fernsehkamera ohne Bildaufnahmelinse. Statt dessen wirkt die Bildaufnah-"

melinse 34 als Bildaufnahmelinse für diese Kamera. Die Videokamera 35 dient zur Beobachtung der Form des Objektes 30 und Hefen Videosignale an eine Einheit 54 zum teilweisen Entfernen von Videosignalen.

Die erste und die zweite Videokamera für zweidimensionale Bilder enthalten jeweils einen Bildzerleger als fotoelektrisches Umwandlungselement, das eine Abtastung mit wahlfreiem Zugang ausführt und jeweils einen Kamerakopf 51a, 52a und eine Steuereinheit 51 b, 52b aufweist. Die Bildaufnahmelinsen der Kameraköpfe 51a und 52a sind entfernt, so daß die in die Gehäusewand eingelassene Bildaufnahmelinse 34 für alle drei Kameraköpfe 51a, 52a und 53 als Bildaufnahmelinse wirkt.

Die Bildaufnahmelinse 34, die gleichzeitig für alle drei Videokameras 51, 52 und 53 benutzt wird, ist so angeordnet, daß sie für jede Videokamera den gleichen Abstand von dem betreffenden fotoelektrischen Wandler aufweist. An der Stelle, an der in der Videokamera 53 die Bildaufnahmelinse entfernt worden ist, ist ein transparentes Glas eingesetzt worden, während die Bildaufnahmelinsen der Kameraköpfe 51a und 52a jeweils durch optische Filter 37, und 38, die mit Schrauben befestigt sind, ersetzt worden sind. Das erste optische Filter 37 ist ein Bandpaßfilter mit einem Hauptdurchlaßbereich von A\ (wobei A\<A3 ist und der Durchlaßbereich zwischen /21 1 bis λ\2 gewählt ist, z. B. zwischen 550 und 600 nm). Das zweite optische Filter ist ein Hochpaßfilter mit einem niedrigeren Grenzwert von/221 (z. B. 700 nm), wobei /221 kleiner ist als /23, so daß ein Bandpaßfilter mit einem Durchlaßbereich zwischen /221 und /222 gebildet wird, worin die Wellenlänge /222 (z. B. 850 nm) den oberen Grenzwert des Empfindlichkeitsbereiches darstellt, der durch die Spektralempfindlichkeit der Videokamera 52 begrenzt ist Der Hauptanteil der durchgehenden Wellenlängen zwischen /221 und /222 ist /22. F i g. 12 zeigt eine Kurve der gegenseitigen Zuordnungen der Wellenlängen /Ϊ1, /22 und A3. Kurz gesagt: die Videokameras 51 und 52 empfangen das Licht der jeweiligen auf λ\ und Al zentrierten Bandpaßfilter und die Videokamera 53 empfängt Licht des gesamten sichtbaren Bereichs.

Die Einheit 54 dient dazu, an einem Monitor 56 den linken oberen Bereich des von der Bildaufnahmevorrichtung 53 abgetasteten aufgenommenen Sichtfeldes anzuzeigen, mit Ausnahme der bandförmigen Bereiche des rechtseitigen Teiles dieses Bildes und eines unteren Teiles. Die Videosignale, die die normale Modulation haben, werden gemäß Fig. 13 in ihrem rückwärtigen Teil, der etwa ^XU des Videosignals für eine Zeile entspricht, schwarz gemacht und ferner in einer bestimmten Anzahl von Zeilen im unteren Bereich des Fernsehbildes geschwärzt, die etwa V₄ des Fernsehbildes ausmachen. Solche Schaltungen sind bekannt und brauchen daher hier nicht im einzelnen erläutert zu werden. Die Einheit 54 enthält eine Einrichtung zum Empfang der Vertikal- und Horizontal-Synchronisierimpulse aus dem von der Bildaufnahmevorrichtung 53 kommenden Videosignal, einen Impulsgenerator zur Einstellung der Horizontal-Position und einen voreingestellten Zähler, der durch die Vertikal-Synchronisierimpulse rückgesetzt wird und die Anzahl der Horizontal-Synchronisierimpulse zählt und ein Signal erzeugt wenn der Zählwert dem voreingestellten Wert entspricht Ein weiterer voreingestellter Zähler wird durch die Horizontal-Synchronisierimpulse rückgesetzt und zählt die Taktimpulse und erzeugt ein Ausgangssignal, wenn sein Zählerstand dem voreingestellten Wert entspricht Eine Torschaltung verhindert die Übertragung des Ausgangsvideosignals an den Monitor 56 so lange, bis die beiden voreingestellten Zähler jeweils nach Erzeugung der oben erwähnten Signale rückgesetzt werden. Zusätzlich wird das Ausgangssignal der Torschaltung über eine Bildkombinationseinrichtung dem Monitor 56 zugeführt, so daß ein zusammengesetztes Signal angezeigt wird, das noch andere Signalanteile enthält, deren Entstehung nachfolgend noch erläutert wird und die der Bildkombinationseinrichtung 55 zugeführt werden.
Mit 60 ist ein Mikrocomputer bezeichnet. Der Mikrocomputer 60 führt die Abtaststeuerung und die Zweifarben-Temperaturbestimmung anhand der Signale der Videokameras 51,52 durch.

Zunächst wird die Abtaststeuerung der Videokameras 51,52 beschrieben. Mit 61 ist ein Register bezeichnet, daß eine Anzahl von Digitalschaltern, beispielsweise Daumenradschaltern, umfaßt. An dem Register 61 kann derjenige Bereich angegeben werden, der für die Erzeugung des Temperaturmusters abgetastet werden soll. F i g. 12 zeigt die Abtastbereiche der Videokamera 51, 52 bzw. die zur Ermittlung des Temperaturmusters abgetasteten Bereiche. Die Bereiche können die Form eines langgestreckten Streifens annehmen, der entweder in der Hauptabtastrichtung der K-Achse (vertikal) oder in der Unterabtastrichtung der X-Achse (horizontal) verläuft oder aus einem länglichen Bereich mit Hauptabtastung in ^-Richtung und Unterabtastung in y-Richtung besteht so daß, wenn in beiden Richtungen abgetastet wird, der Mikrocomputer so programmiert ist, daß er eine abwechselnde Abtastung der Bereiche versucht Bei diesem Ausführungsbeispiel können an dem Register 61 die Startpositionen Pr und Px für die Hauptabtastung in jedem Bereich, sowie die Breiten Wy und Wx der Bereiche eingestellt werden. Die Anzahl der Abtastreihen ist in jeder Richtung konstant (z. B. 128).

Der Mikrocomputer 60 steuert das System so, daß die Abtastung in der dargestellten Weise verläuft, auf der Basis der gespeicherten Wert von Py, Px, Wy und Wx. Zwischen den Mikrocomputer 60 und die X-Ablenkeingänge der Steuereinheiten 5ib, 52b sind ein Zähler 62X und ein Digital/Analog-Umsetzer 63X geschaltet, um die Zählwerte des Zählers 62X in Analogwerte umzusetzen, die als X-Ablenksignal für beide Steuereinheiten 516 und 526 verwendet werden. Zwischen den Mikrocomputer 60 und die K-Ablenkeingänge der Steuereinheiten51ö,526sindeinZähler62yundein Digital/Analog-Umsetzer 63 Y geschaltet, um die Zählwerte des Zählers 62 Y in Analogform umzuwandeln. Mit dem Ausgangssignal des Umsetzers 63 Y werden die Y-Ablenkeingänge der beiden Steuereinheiten 51Z) und 52b angesteuert, wobei das X- (oder V-)Ablenksignal der Videokamera 51 die entgegengesetzte Polarität des Signals der Videokamera 52 hat, weil die Videokamera 51 ein Bild empfängt, das gegenüber dem Bild der Videokamera 52 spiegelbildlich ist

Es folgt nun eine detailierte Erläuterung der Wirkungsweise und Steuerung des Mikrocomputers 60 für den seitlich langgestreckten Abtastbereich. Der Mikrocomputer 60 stellt einen Wert ein, der dem Wert Py im Zähler 62 Y entspricht und einen Wert der der ersten Stelle in Richtung der Unterabtastung im Zähler 62Λ" entspricht Der Mikrocomputer 60 liefert einen Hochfrequenz-Impulstakt an den Zähler 62 V, so daß dieser hochzählt Nach dem Hochzählen auf einen dem Wert Py + VVjK entsprechenden Wert wird der Zähler 62 V auf einen Py entsprechenden Wert rückgesetzt Zu dieser Zeit empfängt der Zähler G2X einen Taktimpuls, so daß sein Zählerstand um eine Stufe hochgezählt wird. Dieser Vorgang wird zur Abtastung des querlaufenden

13 14

Bandbereichs von Py nach Py + Wy der Bildaufnahme- ben, um für einen bestimmten Zweck verfügbar zu sein vorrichtungen 51 und 52128mal wiederholt Der Mikro- und an verschiedene externe Instrumente übertragen computer 60 liefert ein Signal an die Fernseh-Schnitt- werden zu könnea Eine typische Verwendung fur die Stelleneinheit 54, damit die vertikalen und horizontalen Daten ist die Erstellung eines Ausdrucks der Tempera-Linien an den Stellen Py, Py + Wy und Px, Px + WOr 5 turwerte mittels eines Druckers oder eine graphisdhs jeweils angezeigt werden. Auf diese Weise wird das Anzeige des Temperaturmusters (d. h. die Temperatur-Ausgangssignal der Schnittstelleneinheit 64 zu der Bild- verteilung an 128 horizontalen oder vertikalen Stellen kombiaationseinrichtung 55 übertragen und der Moni- des Gesichtsfelds der Videokamera. Ferner ist bei der tor 56 zeigt denjenigen Bereich des Objektbildes an, der Überwachung der Schweißzonen die Temperatür ills dem Temperaturmeßbereich entspricht Bei diesem io Steuergröße für die Heizsteuerung verfügbar. Ausführungsbeispiel sind die Einheit 54 für die teilweise Das Ausführungsbeispiel der F i g. 9 ist imstande, an Auslöschung des Videosignals, die Kombinationsein- einer Anzeigevorrichtung oder einem Monitor 56 das richtung 55 zum Zusammensetzen des Bildes und die horizontale oder vertikale Temperaturmuster unter Schnittstelleneinheit 64 als einzelne Baugruppen ausge- Verwendung des erhaltenen erzeugten Tempsraturmu* führt 15 sters anzuzeigen.

An den Videosignal-Ausgangsanschlüssen der Fig. 13 zeigt eine Draufsicht des Bildleiters 31 uind Steuereinheiten 516 und 526 werden fotoelektrische Si- des Objektivs 32, wenn als Objekt 30 ein Rohr 90 be-

gnale des abgetasteten Bereichs in der oben beschriebe- nutzt wird, dessen Längsnaht zu schweißen ist Das off e-

nen Weise entsprechend dem Abtastvorgang ausgege- ne Rohr 90 aus Kupferblech ist aus einem Blech gebo-

bea Die Ausgangssignale der Steuereinheiten 51 6 und 20 gen, wobei die beiden Kanten durch Kontaktspitzen 92,

526 werden den Eingängen der Integratoren 651 bzw. die in Laufrichtung vor den Quetschwalzen 93 ängeorü-

652 zugeführt Die Integrationswerte werden durch net sind, gespannt gehalten werden. Die Verschweißung

Analog/Digital-Umsetzer 661,662 in Digitalwerte um- der Rohrnaht erfolgt während die Blechkanten durch

gesetzt und dann von dem Mikrocomputer 60 eingele- die Quetschwalzen 93 gegeneinandergedrückt werden,

sen. Die Einlesezeitsteuerung des Mikrocomputers 60 25 so daß ein Rohr mit elektrisch geschweißter Stoßnaht

erfolgt annähernd synchron mit der Beendigung der entsteht, das anschließend einem Nahtausglüher züge-

Hauptabtastung. Der Mikrocomputer 60 liest daher die führt wird. Das Objektiv 32 ist so angeordnet, daß das |

den Lichtenergien der Hauptwellenlängenanteilen von Aufnahmefeld den Bereich der Stoßnaht den sogenanm |;>

λ\ und Al des von demselben Bereich ausgesandten ten K-Punkt enthält, der in Laufrichtung geringfügig vor |Sj

Licht auf annähernd synchrone Art ein. Dieser Bereich 30 der Linie angeordnet ist die quer durch die Achsen der ΐ

ist bei beiden Videokameras 51 und 53 annähernd der Quetschrollen 93 hindurchgeht Fig. 14 zeigt die am ||

gleiche. Auf diese Weise liest der Mikrocomputer 60 Monitor 56 entstehende Anzeige, wenn die Videokam e- rrj

einen Wert pro Abtastlinie ein und pro seitlichen oder ra auf das Objekt gerichtet ist Der linke obere Bereich ''■';

längslaufenden Abtaststreifen werden 128 Datenstücke zeigt das von der Videokamera 53 angezeigte Bild an, in v:

eingelesen. Andererseits wird vor Verwendung dieser 35 dem der noch offene Abschnitt des Rohres 90, der elelk- %

Vorrichtung die Bildaufnahmelinse 34 mit einem (nicht trisch nahtgeschweißte Abschnitt 91 und die Nahtzoneii :

dargestellten) Verschluß bedeckt, so daß man für jede am V-Punkt erscheinen. Ferner werden zwei horizon·

der Videokameras 51 und 52 einen Ausgleichswert er- tale und vertikale Linien angezeigt, die jeweils den ge¹

hält, der in einem bestimmten Bereich des Speichers 67 nannten Abtastbereich angeben. Diese Bereiche mit .%

gespeichert wird. Diese Daten entsprechen den jeweili- 40 Ausnahme des Bildanzeigebereichs 56a sind durch die '^ri_:

gen seitlichen und längslaufenden streifenförmigen Be- Teil-Austastschaltung 54 mit einem gleichmäßigen %

reichen der Videokameras 51 und 52 Schwarz-Niveau versehen und werden für die Anzeige ^:'

Das Programm des Mikrocomputers 60 ist so konzi- des Temperaturmusters benutzt Zunächst ist der unter- :■ · ·;

piert, daß jederzeit Daten von den Analog/Digital-Um- halb des Bildanzeigebereichs 56a angeordnete Bereich ■':

setzern 661,662 eingelesen werden, daß der Ausgleichs- 45 566 ein querlaufender Abtastbereich von Py bis ϊ|

wert der betreffenden Abtastposition von den eingele- Py + My und stellt in diesem Fall die zur Anzeige der* i.:.]

senen Daten abgezogen wird, um die einer jeden WeI- Temperaturverteilung in Längsrichtung des Rohres ent- ?|;

lenlänge A\ oder Al an der zu messenden Abtastposition lang der Schweißnaht benutzte horizontale Verteilung»- %

entsprechende Strahlungsenergie zu ermitteln, und daß anzeige dar. Der Bereich 56c, der rechts von det· Berei- :·Υ

die Zweifarben-Temperaturbestimmung nach folgender 50 chen 56a und 566 verläuft ist der Anzeigebereich für die :>_;

Gleichung (3) durchgeführt wird: vertikale Temperaturverteilung und wird für die Anzei- ■■■*;

ge der Umgebungstemperaturverteilung des Rohres Cl

TYY v) _ ^ε> (X' Y) j. ο iv\ entlang des in Längsrichtung verlaufenden Abtastberei· ;$

ΐ(Λ, ij - λ _£2 ζ_χ ή + p. (i) _{ches νοη ftnad}, P_{x +} ^benutzt '<$

55 Ein Videospeicher mit wahlfreiem Zugriff (VIDEO $

Hierin sind T(X, Y) j° K} eine typische Temperatur an RAM) 68, der den Abtastbereichen 566 und 56c entspre- ■ 'v

der einer Abtastlinie entsprechenden Position; ε\(Χ, Y), chende Speicherstellen aufweist enthält eingeschrieben

etfX, Y) die Strahlungsenergie bei den einzelnen WeI- die Temperaturskalen, die den horizontalen und vertika· ;

lenlängen A\, Al mit den oben erwähnten Ausgleichs- len Maßstabslinien entsprechen, die in dem Anzeigebe-

werten und λ, ,? Konstante für die Wellenlängen/il und μ reich 566 für die horizontale Temperaturverteilung und S

Xl. dem Anzeigebereich 56c für die vertikale Temperatur- ψ

Gleichung (3) gibt an, daß die Beziehung zwischen verteilung angezeigt werden. Der Speicher 68 enthält dem Energieverhältnis ε\(Χ, Y)/ei(X, Y)und derTempe- Daten gespeichert die für die Anzeige der den Temperatur T(X, ^annähernd linear ist. raturskalen entsprechenden Temperaturwerte benutzt Der so erhaltene Temperaturwert wird in einen be- 65 werden. Die in den Videospeicher 68 gespeicherten stimmten Bereich des Speichers 67 für mehrere Bilder Maßstabsdaten können in bekannter Weise mittels ei;-einschließlich der abgetasteten Bilder gespeichert und nes Rasters aus weißen Punkten angezeigt werden. Die* die Daten werden in den Mikrocomputer 60 eingege- jenige Adressenstelle des Videospeichers 68, die der Po-

sition entsprechen, die innerhalb der Bereiche.566 und 56c durch weiße Punkte angegeben werden sollen, wird aus den Temperaturdaten berechnet, die aus bestimmten Temperaturskalen in bezug auf die Signaldaten und jede Abtastlinie ermittelt worden sind, so daß die Daten der weißen Punkte in die der genannten Adresse des Videospeichers 68 entsprechende Speicherstelle eingeschrieben werden. Zum Einschreiben dieser Anzeigedaten in den Videospeicher 68 wird eine Zeitspanne selektiert, wie diejenige, die der Signalerzeugungszeit der Vertikal-Synchronisierungsimpulses des Videosignaleinganges zum Monitor 56 von der Bildkompositionseinheit 55 entspricht und für die Anzeige nicht relevant ist Die zum Monitor 56 übertragenen Anzeigesignale beziehen sich auf die Vertikal- und Horizontal-Synchronisierungsimpulse des Videosignals, so daß die Ausleseadresse des Videospeichers 68 entsprechend der Ausleseadresse ausgelesen wird. Die Auslesedaten werden der Bildkombinationseinrichtung 55 über die Fernseh-Schnittstelleneinheit 64 zugeführt, wodurch ein zusammengesetztes Muster, wie dasjenige der Fig. 14, auf dem Monitor 56 angezeigt wird. Eine solche Anzeige ermöglicht die Beobachtung des Schweißvorgangs und der entsprechenden Temperaturverteilung in jeder Richtung. Zusätzlich zeigen die Pfeile in den F i g. 13 und 14 die Richtung der Vorwärtsbewegung des Rohres an. In dem Fall, daß die Temperaturverteilung auf die obige Weise ermittelt wird, werden die in dem Videospeicher 68 gespeicherten Daten nicht jedesmal neu geschrieben, wenn die Temperaturdaten erneuert werden, sondern nur einmal pro mehrfacher Temperautrdatenerneuerung, so daß Flackern vermieden und die Ablesung erleichtert wird.

Bei der Benutzung der beschriebenen Vorrichtung wird durch den Zweifarben-Temperaturmeßvorgang die Temperatur gemessen. Dadurch werden die Einflüsse der Umgebungsatmosphäre im Vergleich zu dem bekannten Infrarot-Strahlensystem stärker eliminiert und es wird eine größere Genauigkeit erreicht. Bei Benutzung des Bildleiters nach dem Ausführungsbeispiel der F i g. 9 kann das Temperaturmuster ohne Störung durch die Atmosphäre gemessen werden. Ferner kann das Temperaturmuster in einem kleinen Bereich oder an einem tiefen Boden gemessen werden, der von außen her nicht direkt sichtbar ist. Das Auflösungsvermögen kann soweit erhöht werden, bis es durch die Auflösung der Videokameras 51 und 52 begrenzt wird.

Ferner bietet das beschriebene Ausführungsbeispiel durch die Verwendung der Bildaufnahmevorrichtung mit einem Bildzerleger zur Ermöglichung einer Abtastung mit wahlfreiem Zugriff die Möglichkeit, das Temperaturmuster jeweils für einen optimalen Bereich zu ermitteln. Mit anderen Worten: wenn eine Vidicon-Kamera benutzt wird, erfolgt eine sequentielle Abtastung, so daß komplexe Computerprogramme benötigt werden, um andere Temperaturmuster als vertikale oder horizontale Temperaturmuster in dem Fernsehbild anzuzeigen, wodurch beim praktischen Einsatz erhebliche Schwierigkeiten entstehen. Durch die beschriebene Vorrichtung ist es jedoch möglich, ein Temperaturmusier in einer gewünschten Richtung zu erhalten, ohne eine Abtastung an einem Teil durchführen zu müssen, der für diese Operation nicht zweckdienlich ist. Ferner wird eine Bildaufnahmeröhre ohne Akkumulierungseffekt benutzt, so daß keine Rest- oder Geisterbilder entstehen. Die Bildaufnahmeröhre eignet sich daher auch für Messungen an Objekten mit sich schnell ändernden Temperaturen. Die Bildaufnahmeröhre hat einen größeren dynamischen Bereich als diejenige einer Vidicon-Kamera, so daß der Vorteil der Erfassung eines größeren Temperaturmeßbereiches entsteht

Fig.20 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Temperaturmeßvorrichtung, bei dem auf eine der Videokameras 51 oder 52 verzichtet werden kann. Die Linse 1, das N. D.-Filter 35 und der Spiegel 5 sind so angeordnet, daß die Videokamera 51 das durch die Linse 1 und das Filter 35 hindurchgegangene Licht aufnimmt, während die Videokamera 53 das durch die linse 1 hindurchgegangene und von dem Spiegel 5 reflektierte Licht aufnimmt Zwischen dem N. D.-Filter 35 u^d der Videokamera 51 ist ein Rotationsfilter 2 angeordnet Wie in den F i g. 23 und 24 dargestellt ist ist das Rotais tionsfilter 2 scheibenförmig ausgebildet und in zwei oder vier Sektoren mit jeweils gleichen Umfangserstreckungen unterteilt Jeder Sektor besteht aus einem optischen Filter 21 oder 22, deren mittlere Durchgangswellenlängen λ\ oder Xl betragen. Die Filter 21 und 22 sind einander abwechselnd angeordnet Das Rotationsfilter 2 wird von einem Motor 23 angetrieben, so daß es mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Die Videokamera 51 empfängt das durch das Filter 21 (oder 22) hindurchgegangene Licht und sein Ausgangssignal wird einer arithmetischen Einheit 3 zugeführt Entweder mit dem Motor 23 oder dem Rotationsfilter 2 ist ein (nicht dargestellter) Impulsgenerator mechanisch gekoppelt. Die arithmetische Einheit 3 unterscheidet zwischen den beiden Datenarten (den über das Filter 21 ermittelten Daten und den über das Filter 22 ermittelten Daten) entsprechend dem Ausgangssignal des Impulsgenerators und führt eine Zweifarben-Temperaturbestimmung in gleicher Weise aus wie dies anhand von F i g. 9 beschrieben wurde. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine BiIdkombinationseinrichtung und 56 bezeichnet einen Monitor.

Wenn die Vorrichtung für die Überwachung der Schweißzone eines elektrisch nahtgeschweißten Rohres benutzt wird, ist es für die Fertigungsüberwachung sehr wichtig, das Bild des V-Punktes zu überwachen und ebenso den V-Winkel (der zwischen den Kanten des offenen Rohres 90 im Scheitel des V-Punktes gebildet wird). Dies ist mit der beschriebenen Vorrichtung möglich. Mit anderen Worten: das Video-Ausgangssignal der zweiten Videokamera 52 (oder der ersten Bildaufnahmevorrichtung 51) wird folgendermaßen benutzt:

Das Videosignal wird einem Analogschalter 69 (F i g. 9) zugeführt, der das Videosignal nur dann durchläßt, wenn die von den Digital/Analog-Umsetzern ΈΑΧ

so und 63 Y ausgegebenen Ablenksignale in X- und Y-Richtung den querlaufenden Bereichen von Py bis Py + Wy entsprechen, deren Hauptabtastrichtung die y-Richtung ist und deren Unterabtastrichtung die X-Richtung ist. Das Ausgangssignal des Analogschalters 69 wird dem Integrator 70 zugeführt, dessen Ausgangssignal an den Komparator 71 gegeben wird, um den Schwellenwert auf ein bestimmtes Niveau einzustellen. Das von der Bildaufnahmevorrichtung 52 erzeugte Bild der Temperaturverteilung des Objektes innerhalb des Sichtfeldes zeigt an beiden Kanten des offenen Rohres 9ö und in der Schweißzone einen heiiroten Zustand und wird infolge der niedrigeren Temperaturen, die im Abstand von den hellroten Teilen herrschen, dort dunkler. Am dunkelsten ist das Bild dort, wo der Boden der Lükke zwischen den Kanten des offenen Rohres empfangen wird.

Fig. 15 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines aufgenommenen Bildes und der Abtastlinie zwischen Py

Ϊ7

und Py + Wy. Fig. 16 zeigt die den Abtastünien ent- e γ

sprechenden Amplituden des Videosignals an der Stelle tan β = 2 tan -γ-. (1)

der Nahtschweißung des Rohres 91. Da die Helligkeit in —

diesem Bereich die oben erwähnte Verteilung hat, hat Der Mikrocomputer 60 berechnet dann unter Ver-

das Videosignal die in Fig. 17 dargestellten Wellenfor- s Wendung der obigen Beziehung aus der nachfolgenden men, bei denen Spitzenwerte an den Kanten des noch Gleichung einen Wert für θν. offenen Rohres 90 und an der Stelle der Naht des Rohres 91 entstehen, also glührote Bereiche. Der das Video- _Ä ^₁ tang ._. signal empfangende Integrator 70 erzeugt ein Aus- ^v " 2 " * ' gangssignal, das eine steile Änderung an denjenigen to

Stellen zeigt, die den Kanten des Rohres entsprechen, Hierin ist θ durch ein bekanntes Verfahren auf der

im Gegensatz zu dem Teil des Videosignales, der sich Basis der zuvor erhaltenen geraden Linie ermittelt worauf den V-Spalt des Rohres 90 bezieht Das Ausgangssi- den.

gnal des Integrators 70 wird einem Komparator 71 zu- Die Position des V-Punktes und des V-Winkels θν

geführt, wodurch der Schwellenwert auf ein bestimmtes 15 werden an einen Drucker 73 zur Anzeige und Aufzeich-Niveau eingestellt wird. Der Komparator 71 erzeugt nung ausgegeben und an die Steuereinheit abgegeben. Impulse, wenn der Abtastpunkt über die einander ge- wenn sie für die HeizungssWuerung benutzt werden, genaberliegenden Kanten hinweggeht. Wenn die quer Fig.23(A), (B) und (C) zeigen ein Flußdiagramm für

zu dem Spalt verlaufenden Abtastlinien gemäß F i g. 15 den Meßvorgang. Zunächst wird die Temperatur eines und 16 mit 1,2... /bezeichnet werden, wobei in Lauf- 20 querverlaufenden (seitlich verlaufenden) Bereichs gerichtung des offenen Rohres 90 stromaufwärts begon- messen. Als nächstes wird die Temperatur des längslauⁱ nen wird, ändert sich das Ausgangssignal des Kompara- fenden Bereichs gemessen und anschließend werden der tors 71 gemäß Fig. 17 auf sequentiell verringerte Im- V-Punkt und der Winkel θν bestimmt

pulsintervalle tu ti,... ti. Das Ausgangssignal des Korn- :__

parators wird ferner einer Takteinheit 72 zugeführt, die 25 Hierzu 17 Blatt Zeichnungen

einen Taktoszillator und -Zähler enthält und in der die '

Impulsintervalle ft, ti,... ti,die an den entsprechenden Abtastünien entstehen, gemessen werden. Die Takteinheit 72 wird mit Ablenksignale in X- und V-Richtung versorgt, um zwischen den einzelnen Abtastlinien zu unterscheiden.

Der Mikrocomputer 60 liest nacheinander die Ausgangssignale des Zählers der Takteinheit 72 ein, d. h. die den Abmessungen gugi,... g:der Intervalle zwischen den Kanten des offenen Rohres 90 gemäß F i g. 18 entsprechenden Werte fi, f₂, fr

Da die Ordnung der einzelnen ausgelesenen Daten, d. h. die Nummern 1,2,... /der Abtastlinien, jeweils im wesentlichen der Position in axialer Richtung (oder Laufrichtung) entsprechen, kann der Mikrocomputer 60 die Länge des Intervalls zwischen den Kanten an jeder Stelle in X-Richtung ermitteln. F i g. 20 zeigt schematisch die Beziehung zwischen den beiden Meßdaten, wobei die Abszisse die Λ-Richtung und die Ordinate die Abmessung g zwischen den beiden Kanten angibt. Ferner geben die Werte XuX₂... X, die betreffenden Positionen der Abtastlinien 1,2,... /an, wobei beispielsweise das linke Ende des Sichtfeldes die Nullinie darstellt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Position in -Y-Richtung von der Takteinheit 72 nicht eingelesen, so wenn für den V-Punkt g=0 gilt, sondern auf die nachfoglend beschriebene Weise. Nachdem der Wert g kleiner wird als der vorgeschriebene Wert, werden die nachfolgenden Daten vernachlässigt und (X„ g,) i - 1, 2 ... η (wobei n<3) wird zum Ziel der Verarbeitung gemacht Hiernach erhält man durch Approximation nach der Methode der kleinsten Quadrate eine gerade Linie, so daß die Position in ^-Richtung, an der die gerade Linie # = 0 wird (die Abszisse X in F i g. 20

schneidet), zum V- Punkt gemacht wird.

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■ · to· ·■/ bVlglUUd UWbVllllUllg3[/lUIU|/IUt UWIt T~ TT Hl"

kel. Wenn der Winkel zwischen der in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Linie und der Abszisse X in Fig.20 mit θ bezeichnet wird, gilt zwischen Vund dem angestrebten Winkel θν (einem Winkel zwischen den Kanten des Rohres 90 in der Nähe des V-Punktes gemäß F i g. 17) die folgende Beziehung:

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Temperaturmeßverfahren, bei dem die Lichtenergie eines Objektes mit Hilfe zweier optischer Filter in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen gemessen und aus den gemessenen beiden Energiegrößen die Objekttemperatur durch Verhältnisbildung errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch jedes der beiden Filter hindurch ein in zahlreiche kleine Flächenelemente aufgeteiltes Videobild des Objektes in dem entsprechenden Wellenlängenbereich aufgenommen wird, daß die den Flächenbereichen zugeordneten Bildanteile des Videobildes einer arithmetischen Einrichtung zügeführt und paarweise zu Temperaturwerten umgerechnet werden, daß jedes der Filter aus zahlreichen Feldern besteht, von denen jeweils zwei unterschiedliche Felder einem Flächenbereich entsprechen, und daß beide Videobilder mit einer einzigen Videokamera durch aufeinanderfolgendes Abtasten der Flächenelemente verschachtelt aufgenommen werden.

2. Temperaturmeßverfahren, bei dem die Lichtenergie eines Objektes mit Hilfe zweier optischer Filter in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen gemessen und aus den gemessenen beiden Energiegrößen die Objekttemperatur durch Verhältnisbildung errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch jedes der beiden Filter hindurch ein in zahlreiehe kleine Flächenelemente aufgeteiltes Videobild des Objektes in dem entsprechenden Wellenlängenbereichen aufgenommen wird, daß die den Flächenbereichen zugeordneten Bildanteile des Videobildes einer arithmetischen Einrichtung zugeführt und paarweise zu Temperaturwerten umgerechnet werden, daß beide Videobilder mit speparaten Videokameras gleichzeitig aufgenommen werden, und daß in dem Strahlengang von dem Objekt zu der einen Videokamera ein Strahlenteiler angeordnet wird, der auf jede der Videokameras einen Teil des Lichts des abgetasteten Objekts lenkt

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt (W) und einer Videokamera (1) eine optische Filtereinrichtung (2) angeordnet ist, die ein Muster aus zahlreichen Feldern mit unterschiedlichen Durchlaßbereichen aufweist, daß der Videokamera (1) ein Speicher (5) nachgeschaltet ist, in den die Bildsignalanteile des Videosignals (VDS) an den den einzelnen Feldern (21, 22) entsprechenden Stellen eingespeichert werden, und daß der Speicher (5) mit einer arithmetischen Einrichtung (6) verbunden ist, die die Zweifarben-Temperaturbestimmung für jedes Paar benachbarter Felder der Filtereinrichtung aus den gespeicherten Bildsignalanteilen entsprechend den Energiegrößen dieser Felder ausführt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder (21, 22) in dem Filter (2) in Fünii einer aus Zeiien und Spalten bestehenden Matrix angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter zwischen den Feldern (21, 22) Dunkelzonen (23) aufweist, die im wesentlichen strahlungsundurchlässig sind.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Videokamera jeweils einen mit einer Steuereinheit (51ft 52b) verbundenen Video-Kamerakopf (51a, 52a) aufweisen und mit einem optischen Filter (37, 38) ausgestattet sind, daß den Steuereinheiten (51 b, 52b) jeweils ein Integrator (651,652) nachgeschaltet ist, welcher an einen Analog/Digital-Umsetzer (661, 662) angeschlossen ist, und daß die Ausgangssignale der Analog/Digitalumsetzer an eine arithmetische Einrichtung (60) abgegeben werden, die eine Einrichtung zur Steuerung der ersten und der zweiten Steuereinheit (516,52b) mit Analogsignalen steuert

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die arithmetische Einrichtung (60) ein mit einem Speicher (61) verbundener Mikrocomputer ist, der über je einen Digital/Analog-Umsetzer (63* 63y) die Steuereinheiten (51 b, 52b) steuert, daß der Mikrocomputer (60) arbeitsmäßig mit einem Monitor (56) verbunden ist, daß die beiden Videokameras (51, 52) über mindestens eine Linse (34) auf das zu messende Objekt (W) gerichtet sind und daß die arithmetische Einrichtung (60) die Positionen der abgetasteten Oberflächenbereiche des Objektes bestimmt und jeden Flächenbereich die zugehörigen Energiegrößen zuordnet

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Videokamera (53) zur Erzeugung eines zwei-dimensionalen Videobildes des Meßobjektes (30) vorgesehen ist, und daß die Ausgangssignale der arithmetischen Einrichtung (60) und der zusätzlichen Videokamera (53) einer Bildkombinationseinrichtung (55) zugeführt werden, wobei die arithmetische Einrichtung (60) die zusätzliche Videokamera (53) und die Bildkombinationseinrichtung (55) derart steuert, daß eine zusammengesetzte Anzeige aus einem zwei-dimensionalen Videobild des Objektes und längs mindestens eines Bildrandes eine graphische Darstellung des Temperaturverteilungsmusters des Meßobjektes auf einem Monitor (56) erzeugt werden.