DE3246795A1

DE3246795A1 - Temperaturmessgeraet

Info

Publication number: DE3246795A1
Application number: DE19823246795
Authority: DE
Inventors: Herbert Morrison Glasgow Scotland Runciman
Original assignee: Thales Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1982-12-17
Publication date: 1983-06-30
Also published as: GB2112131A; GB2112131B; FR2518745A1; FR2518745B3; SE443874B; SE8207157L; SE8207157D0

Description

Beschreibung:

Diese Patentanmeldung befaßt sich mit einem Meßgerät zur Bestimmung der Temperatur eines Meßobjekts aus der von diesem ausgesandten Infrarotstrahlung, welche mit der Strahlung aus einer Vergleichsquelle mit bekannter Temperatur, nachfolgend auch als Temperaturnormal bezeichnet, verglichen wird.

Unter den bekannten Meßgeräten befinden sich solche, welche zwei Vergleichsquellen mit bekannter Temperatur besitzen, welche verwendet werden, um die Verstärkung des Systems aus Detektor und nachgeschaltetem Verstärker zu kalibrieren; andere bekannte Meßgeräte vergleichen die Signalpegel der empfangenen Infrarotstrahlung bei zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen; wieder andere Meßgeräte verwenden als Vergleichsquelle eine Strahlungsquelle mit gleichbleibender Temperatur und operieren mit der Annahme, daß die Empfindlichkeit des Meßgerätes im Meßbereich konstant ist. Schließlich sind auch Meßgeräte bekannt, welche eine Vergleichsquelle mit regelbarer Temperatur besitzen; während der Beobachtung des Meßobjekts wird die Temperatur der Vergleichsquelle so eingeregelt, daß sie mit der beobachteten Temperatur des Meßobjekts übereinstimmt; der Detektor liefert dann bei Beobachtung der Vergleichsquelle (welche das Temperaturnormal darstellt) dasselbe Ausgangssignal wie bei Beobachtung des Meßobjekts, und das daraus gebildete Differenztemperatursignal hat den Wert "Null". Hat

man durch Nachregeln der Temperatur der Vergleichsquelle das Differenztemperatursignal "Null" erreicht, dann kann man die Temperatur der Vergleichsquelle messen und ablesen und hat damit zugleich die Temperatur des gewöhnlich nicht körperlich zugänglichen Meßobjekts bestimmt.

Die bekannten Geräte arbeiten unter idealen Bedingungen zufriedenstellend, doch entstehen leicht ernste Schwierigkeiten unter widrigen Einsatzbedingungen in rauher Umgebung, in welcher man die empfindlichen Bauteile des Meßgerätes in einem vor den Umgebungseinflüssen schützenden Gehäuse unterbringen muß, in welches die Strahlung nur durch ein geschlossenes Fenster eintreten kann. Auf diesem Fenster können sich Schmutz, Chemikalien, Wasser oder dergleichen mehr niederschlagen und die auf den Detektor auftreffende Strahlung, insbesondere deren Pegel, so verändern, daß die Temperatur des Meßobjekts falsch ermittelt wird, denn die durch den Niederschlag auf dem Fenster veränderte Strahlung geht ja unmittelbar in den Vergleich mit der Strahlung des Temperaturnormales ein.

Den Einfluß der Verschmutzung des Fensters kann man teilweise dadurch beseitigen, daß man das Temperaturnormal außerhalb des Gehäuses, nämlich ebenfalls ein Stückweit vor dem Fenster anordnet, weil dann dessen Strahlung in demselben Maße durch das Fenster geschwächt wird wie die vom Meßobjekt ausgehende Strahlung* Eine solche Anordnung des Temperaturnormals

setzt aber dieses den schädlichen Umgebungseinflüssen aus: Auf der Oberfläche des Temperaturnormals können sich störende Fremdstoffe niederschlagen, die das Emissionsvermögen des Temperaturnormals und mit ihm die Kalibrierung des Meßgerätes verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Temperaturmeßgerät der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß seine Meßgenauigkeit durch mäßige Ablagerungen von Fremdstoffen wie Schmutz, Staub, Chemikalien, Wasser o.a. nicht beeinträchtigt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Meßgerät mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der abgedeckte Teilbereich des Körpers aus für Infrarotstrahlung durchlässigem Material dient als Temperaturnormal, wohingegen sein nicht abgedeckter Teilbereich ein Fenster für die vom Meßobjekt kommende Strahlung ist. Die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Meßgerätes wird durch Ablagerungen auf dem Fenster nicht beeinträchtigt, weil jener Anteil der vom Meßobjekt ausgesandten Strahlung, welcher vom Fenster und den darauf befindlichen Ablagerungen absorbiert wird, genau kompensiert wird durch die Emission des Fensters und der darauf befindlichen Ablagerungen, und sowohl die Absorption als auch die Emission sind in gleicher Weise wirksam

temperaturgeregelt, wenn das vom Detektor gelieferte Differenztemperatursignal die Temperaturdifferenz Null anzeigt» Das Differenztemperatursignal wird gebildet aus den Detektorsignalen, die einerseits durch die durch das Fenster auf den Detektor einfallende Strahlung und andererseits durch die vom Temperaturnormal, d.i. der abgedeckte Teil des Körpers, aus dem auch das Fenster gebildet ist, auf den Detektor auftreffende Strahlung entstehen; stimmt die Temperatur des Meßobjekts, wie sie sich aus der von diesem ausgesandten Strahlung ergibt, mit der Temperatur des Temperaturnormals überein, dann ist die erwähnte Temperaturdifferenz Null=
Erfindungsgemäß wird die Temperatur des Körpers, der das Temperaturnormal darstellt^und mit ihr dessen Strahlun^emission nachgeregelt, bis das Differenztemperatursignal die Temperaturdifferenz Null anzeigt. Die Temperatur des Meßobjekts kann danach durch Messung der übereinstimmenden Temperatur des Temperaturnormals ermittelt werden- Die Amplitude des Differenztemperatursignals ist abhängig vom Verschmutzungsgrad des Fensters, von der Detektorempfindlichkeit und deren Drift, aber keiner dieser Einflußfaktoren beeinflußt die Höhe jener Temperatur des Körpers, weleher das Temperaturnormal bildet, bei welcher das Differenztemperatursignal die Differenztemperatur Mull anzeigt =

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß jegliche auf dem Fenster haftende Verunreinigung infolge von

Wärmeleitung unverzüglich die Temperatur des Fensters annimmt; diese Überlegung ist richtig, zumindest für mäßige Verunreinigungsgrade, und wenn sich Verunreinigungen in endlicher Schichtdicke auf dem Fenster absetzen, wie es z.B. bei Wassertropfen der Fall ist, dann genügt es, wenn jene Oberfläche der verunreinigenden Schicht, welche in Berührung mit dem Fenster steht, dessen Temperatur annimmt. Wenn sich auf dem Fenster allerdings eine Schmutzschicht abgelagert hat, welche so dick ist, daß sie das Fenster vollständig verdunkelt, dann erhält man natürlich unabhängig von der Temperatur des Meßobjekts stets ein Differenztemperatursignal, welches die scheinbare Temperaturdifferenz/anzeigt.

Um dies zu verhindern, muß man die Außenseite des Fensters regelmäßig säubern, beispielsweise mit einer automatischen Wischvorrichtung. Tut man das, dann

man
kann/die Eigenstrahlung der Wischvorrichtung, welche auf den Detektor fällt, zur Bildung eines Kontrollsignals zur Funktionsprüfung des Meßgerätes ausnutzen. Dieselbe Wischvorrichtung kann man noch dazu benutzen, unerwünschte Ablagerungen mit geringem Emissionsvermögen zu entfernen, welche sonst zu Schwierigkeiten im Betrieb des Meßgerätes führen könnten. Damit sind solche Ablagerungen gemeint, welche entweder hoch transparent oder stark reflektierend sind. Die ersteren können zu unerwünschter Lichtbrechung führen, welche bewirkt, daß der Detektor nicht Strahlung vom angepeilten Meßobjekt, sondern von einem anderen Objekt empfängt; die letzteren können bewirken, daß der

Detektor unerwünschte Strahlung von Stellen innerhalb des Meßgerätes erhält. Wenn man jedoch - wie in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen - einen Detektor verwendet, welcher nur für Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 8 um und 14 μΐη empfindlich ist, dann sind die von solchen hoch transparenten oder stark reflektierenden Ablagerungen herrührenden Schwierigkeiten stark vermindert, wenn nicht gar beseitigt, weil die meisten in der Praxis auftretenden Ablagerungen in eben diesem Spektralbereich ein hohes Emissionsvermögen besitzen.

Mit dem erfindungsgemäßen Meßgerät wird der Einfluß der sich ablagernden Verunreinigungen vollständig kompensiert, wenn die vier die Messung beeinflussenden Strahlungsquellen (nämlich das Meßobjekt, die abgelagerten Verunreinigungen, das Fenster und das Temperaturnormal) in ihrem Emissionsvermögen übereinstimmen oder schwarze Körper sind, aber auch wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, ist das Ausmaß der Kompensation immerhin zufriedenstellend.

Was die Ausbildung eines Temperaturgefälles in dem für infrarote Strahlung durchlässigen, das Fenster des Meßgerätes bildenden Körper betrifft, so ist festzustellen, daß ein solches Temperaturgefälle zwischen dem Fenster und dem Temperaturnormal während der Temperaturmessung nicht bestehen sollte; man kann dies dadurch sicherstellen, daß man die Ein-

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richtung zur Änderung der Temperatur dieses Körpers mit einer hinreichend großen thermischen Leistungsfähigkeit ausstattet. Unter der thermischen Leistungsfähigkeit ist zum einen die Heizleistung bzw. Kühlleistung dieser z.B. nach dem Peltier-Effekt arbeitenden Einrichtung gemeint, aber auch deren Eignung, die Wärme bzw. Kälte möglichst rasch und gleichmäßig auf den Körper zu übertragen, wozu hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität förderlich sind. Ein etwaiges Temperaturgefälle infolge der Dicke des Körpers und in Richtung seiner Dickenerstreckung beeinflußt die Temperaturbestimmung allerdings nicht. Als Werkstoff für den Körper wählt man zweckmäßigerweise Germanium, aber es gibt auch andere geeignete, für infrarote Strahlung durchlässige Werkstoffe. Zur Bestimmung der Temperatur des Körpers, welcher in seinem abgedeckten Teilbereich das Temperaturnormal bildet, verwendet man mit Vorteil einen darin eingebetteten Temperaturfühler; besonders geeignet ist dafür ein Widerstandsthermometer mit einem Platindraht als Meßdraht.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 zeigt den Aufbau eines Temperaturmeßgerätes, und

Figur 2 zeigt vergrößert ein abgewandeltes Detail dieses Gerätes.

Die Wirkungsweise des dargestellten Temperaturmeßgerätes kann man am besten verstehen, wenn man seinen Detektor 1 nicht als Strahlungsempfänger, sondern

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als Strahlungsquelle auffasst, und das geschieht in der nachfolgenden Beschreibung. Der Detektor 1 liegt im Brennpunkt eines ersten Hohlspiegels 2, welcher die vom Detektor 1 ausgehenden Strahlen auffängt und als paralleles Strahlenbündel auf einen zweiten Hohlspiegel 3 wirft, welcher nahe bei der Oberfläche eines Körpers 4., dessen Temperatur mittels eines Peltier-Elementes 6 geregelt wird, ein reelles Bild des Detektors 1 erzeugt. Der Körper 4 ist in einer Öffnung des Gehäuses 8 des Meßgerätes angeordnet. Der Blickwinkel des Meßgerätes, in welchem das Meßobjekt 12, dessen Temperatur bestimmt werden soll, liegen muß, wird durch den Konuswinkel des vom zweiten Hohlspiegel 3 ausgehenden Strahlenkegels bestimmt. Wenn der erste Hohlspiegel 2 um seine Drehachse 9 gekippt wird, dann wird das Detektorbild von der als Fenster dienenden (in der Darstellung der Fig. 1 gesehen) rechten Hälfte 4A des Körpers 4 abgelenkt auf die linke Hälfte 4B des Körpers 4, welche in einem Bereich 5 durch eine entsprechende Oberflächenbeschichtung opak gemacht und mit hohem Emissionsvermögen ausgestattet wurde; dieser so behandelte Bereich 5 wird als Temperaturnormal verwendet.

Die Oberfläche des Kippspiegels 2 liegt im Brennpunkt des Hohlspiegels 3, sodaß der Strahlengang zwischen dem Detektor 1 und dem Körper 4 telezentrisch ist, d.h. der Konuswinkel des auf den Körper 4 auftreffenden Strahlenkegels ändert sich während der Kippbewegung des ersten Hohlspiegels

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nicht. Die oszillierende Kippbewegung des Hohlspiegels 2 hat zur Folge, daß das Ausgangssignal des Detektors 1 ein Differenzsignal ist, dessen Amplitude von der Differenz zwischen der Temperatur des Meßobjekts 12 und jener des Temperaturnormals 5 abhängt.

Das Detektorausgangssignal wird zusammen mit einem die Winkelstellung des Hohlspiegels 2 angebenden Phasensignal an ein elektronisches Stellgerät 10 weitergeleitet; das Phasensignal wird von einem auf die Winkelstellung des Hohlspiegels2 ansprechenden Sensor 11 erzeugt; es wird benötigt, damit man das Vorzeichen des Differenzsignals ermitteln kann, d.h. ob das Meßobjekt 12 wärmer ist als das Temperaturnormal 5 oder umgekehrt. Das Stellgerät 10 stellt die Temperatur des Peltierelements 6 so ein, daß das Differenztemperatursignal am Detektor 1 zu Null wird. Ist das erreicht, wird die Temperatur des Temperaturnormals 5 mittels eines nicht dargestellten, am Körper 4 befestigten Temperaturfühlers abgelesen.

Bei diesem Temperaturfühler kann es sich z.B. um ein Thermolelement, um einen Thermistor, oder um ein Widerstandsthermometer handeln; der Temperaturfühler sollte sich genau eichen lassen, da von seiner Genauigkeit auch die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Temperaturmeßgeräts abhängt. Um den Einfluß von die Meßgenauigkeit beeinträchtigten Temperaturgradienten möglichst gering zu halten, sollte das Fenster 4A des Körpers 4 eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen; für die meisten Anwendungsfälle dürfte

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deshalb Germanium die beste Materialwahl sein.

Die Temperaturänderungen des temperaturgeregelten Körpers 4 erfolgen mit einer gewissen Zeitkonstante; dies führt dazu, daß bei schnellen Temperaturänderungen des beobachteten Meßobjekts der Regelkreis nicht in der Lage ist, das Temperaturdifferenzsignal "Null" unmittelbar der Temperaturänderung des Meßobjekts folgend zu bilden, sondern es wird das Temperaturdifferenzsignal wegen der Trägheit des Regelkreises während einer gewissen Zeitspanne im Anschluß an die Temperaturänderung des Meßobjekts von Null verschieden sein. Für zahlreiche Anwendungsfälle wird das nichts ausmachen; vielmehr kann man den Pegel des Detektorausgangsignales bestimmen und zur Korrektur der Temperaturanzeige verwenden, denn dieser Pegel ist ein Maß für den auftretenden Temperaturmeßfehler. Das Korrektursignal ist der Detektorempfindlichkeit und der Durchlässigkeit des Körpers 4 proportional, aber weil in den meisten Anwendungsfällen die Korrektur klein ausfallen wird, haben Fehler im Korrektursignal nur einen geringen Einfluß auf den ermittelten Wert der Temperatur des Meßobjekts.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf das in Fig. 1 gegebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kann man den Detektor 1 statt durch Spiegel auch durch eine Linse oder ein Linsensystem abbilden, und die periodische Ablenkung des Detektorbildes kann man durch Rotation oder Translation eines

reflektierenden oder eines brechenden optischen Bauelements bewirken, oder auch dadurch, daß man den Detektor selbst oder die Aperturblende 7 verschiebt .
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Bei dem dargestellten Meßgerät handelt es sich um ein solches, welches das Meßobjekt, auf das es gerichtet ist, starr erfaßt und die mittlere Temperatur einer relativ großen Fläche ermittelt.

Die Erfindung ist aber gleichermaßen anwendbar auf abtastende Meßgeräte (Scanner), welche das Meßobjekt nach einem vorgegebenen Raster abtasten und die Ermittlung der Temperaturverteilung auf dem Meßobjekt gestatten. Im Falle eines abtastenden Meßgerätes würde man die Eintrittspupille des optischen Systems in das Eintrittsfenster des Meßgerätes legen und als Temperaturnormal würde man auf dieses Fenster ein Wärmestrahlung aussendendes Muster aufbringen, dessen Temperatur man bei der Beobachtung des Meßobjekts nachführt, bis das über einen vollständigen Abtastzyklus gemittelte Detektorausgangssignal (Differenztemperatursignal) Null ist; die aktuellen Abweichungen des Detektorsignals vom Mittelwert sind dann ein Maß für die Abweichung der Temperatur der einzelnen abgetasteten Stellen des Meßobjekts von dessen gemittelter Temperatur. Verunreinigungen des Fensters des Meßgerätes könnten zwar die Genauigkeit der Meßwerte der örtlichen Abweichungen der Temperatur vom Mittelwert beeinflussen, die mittlere Temperatur selbst kann man aber sehr genau ermitteln.

Figur 2 zeigt vergrößert den Aufbau eines abgewandelten Körpers 4. In diesem Fall ist das Gehäuse 8 des Meßgerätes mit einer Öffnung 16 versehen, in welche der mit einer Wärmeisolierung 17 (z.B. aus Polytetrafluoräthylen) umgebene Körper 4 eingepaßt ist» Der Körper 4 ist mittels zweier Kupferleiter 17A und 17B wärmeleitend mit einem Paar Peltier-Elementen 6A und 6B verbunden» Das Temperaturnormal 5 wird durch eine schwarze Beschichtung auf der nach außen weisenden Oberfläche des aus Germanium bestehenden Körpers 4 gebildet.

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Leerseite

Claims

PAI ENTANWA LTE

DR. RUDOLF BAUER · DIPL.-!WC HELMUT HUBBUCH DSPL₀-PHYS₀ ULRICH TWELSVIEIER -

WESTLICHE 29 - 31 (AM LEOPOLOPLATZ)

D-7530 PFORZHEIM (WEST-germanyi

©1O7231) 1O229O'7O TELEGRAMME- PATMARK

14. Dezember 1982 III/Be

Barr & Stroud Limited, Glasgow G13 1HZ Schottland (Großbritannien)

" Temperaturmeßgerät "

Patentansprüche:

/ 1 .y Meßgerät zur Bestimmung der Temperatur eines

Meßobjekts aus der von diesem ausgesandten Infrarotstrahlung, gekennzeichnet durch

- ein Gehäuse (8) mit einer Eintrittsöffnung (16) für die vom Meßobjekt (1.2) ausgehende Infrarotstrahlung,

- einen am Ort der Eintrittsöffnung (16) am Gehäuse (8) befestigten und aus für Infrarotstrahlung durchlässigem Material bestehenden Körper (4), der in einem ersten Teilbereich (4A) zur Bildung eines Fensters für die Infrarotstrahlung freigehalten ist und in einem zweiten Teilbereich (4B) zur Verhinderung des Eintritts von Infrarotstrahlung vom Meßobjekt (12) abgedeckt ist,

- eine Einrichtung (6) zur Änderung der Temperatur des Körpers (4),

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- einenDetektor (1) für Infrarotstrahlung,

- eine optische Einrichtung (2,3), welche abwechselnd die vom Meßobjekt (12) durch das Fenster (4A) eintretende oder die vom abgedeckten Bereich (4B) des Körpers (4) ausgehende Infrarotstrahlung auf den Detektor (1) leitet,

- ein Stellgerät (10), welches einerseits mit dem Detektorausgang und andererseits mit der Einrichtung (6) zur Änderung der Temperatur des Körpers (4) verbunden ist und ein Nachstellen der Temperatur des Körpers (4) bewirkt, bis das Differenztemperatursignal des Detektors (1) die Temperaturdifferenz Null anzeigt, und

- eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des Körpers (4).
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (4) und seine Abdeckung (5) in seinem zweiten Teilbereich (4B) im interessierenden Temperaturbereich übereinstimmendes Emissionsvermögen besitzen.
3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die thermische Leistungsfähigkeit der Einrichtung (6) zur Änderung der Temperatur des Körpers (4) so groß ist, daß zwischen dem das Fenster bildenden Teilbereich (4A) und dem zweiten, abgedeckten Teilbereich (4B) des Körpers (4) kein Temperaturgefälle besteht.

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4. Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß der Detektor (1) nur für Strahlung mit Wellenlängen zwischen 8 um und 14 um empfindlich ist. 5

5= Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (2,3f ein schwenkbares optisches Element (2) enthält, und daß ein auf die Winkelstellung dieses optischen Elementes (2) ansprechender Winkelstellungssensor (11) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal zur Bestimmung des Vorzeichens eines von Null verschiedenen Differenztemperatursignals des Detektors (1) dem Stellgerät

(10) übermittelt wird.

6= Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (1) und der Körper (4) am Ort der zueinander konjugierten Brennpunkte der optischen Einrichtung (2,3) liegen.