DE3523920C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßverfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur an Oberflächen mit Stoffen, deren Farbe sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, beispielsweise Flüssigkristallen.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 30 30 582 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle ausgesendet und in ein Glasfaserkabel eingeleitet. Zwischen der Lichtquelle und dem Eingang des Glasfaserkabels ist ein rotierender Interfrenzfilter vorgesehen. Aufgrund der Rotation des Interferenzfilters wird die Wellenlänge des Lichtstrahls ständig verändert. Die Veränderung der Wellenlänge erfolgt dabei periodisch. Das Ende des Glasfaserkabels ist als Sonde ausgebildet. In der Sondenspitze sind Kristalle angeordnet, deren Farbe sich mit der Temperatur ändern. Das Maximum des von den Flüssigkristallen reflektierten Lichtes wird in Zeitabhängigkeit von einem am Filter erzeugten Minimumsignal gemessen. Aus der Zeit zwischen dem Minimum und dem Maximum bzw. durch Messung der Farbenlage des Maximums wird die Temperatur der Kristalle ermittelt.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß eine Kurzzeitmessung der Temperatur nicht möglich ist. Dies resultiert einmal aus der endlichen Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Interferenzfilters, wodurch der auf die Kristalle auftreffende Lichtstrahl jeweils nur in bestimmten Zeitabständen eine, einer bestimmten Temperatur entsprechende Wellenlänge aufweist. Temperaturänderungen zwischen diesen Zeitabständen könnn nicht gemessen werden. Zum anderen muß erst ein Wärmeübergang von der zu messenden Oberfläche auf die Sondenspitze und anschließend auf die Kristalle stattfinden, bevor dann die Kristalle ihre Farbe entsprechend ändern, was schließlich als Maß für die Temperatur der Oberfläche benutzt wird. Dies hat auch den weiteren Nachteil, daß die Temperatur der Oberfläche des Körpers relativ ungenau bestimmt wird, da die Sondenspitze sowohl der Temperatur der Oberfläche als auch der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Weiter nachteilig ist, daß mit dem Verfahren nur an einem einzigen Punkt der Oberfläche die Temperatur bestimmt werden kann. Auch ist das Verfahren für den Einsatz der Messung der Temperatur an umströmten Körpern, beispielsweise an Windkanalmodellen, schlecht einsetzbar, da aufgrund der Sondenumströmung sowohl die eigentliche Strömung gestört wird und dadurch auch die zu messende Temperatur der Oberfläche verändert wird, als auch, daß aufgrund der Sondenumströmung die Temperatur der Kristalle ungünstig beeinflußt wird. Die Genauigkeit der Messung wird weiterhin durch den mechanischen Antrieb des rotierenden Interferenzfilters negativ beeinflußt. Insgesamt gesehen ist die Temperaturmessung mit diesem Verfahren nur unter Inkaufnahme eines relativ großen Fehlers möglich.

Die Abhängigkeit der Reflexionsfarben der Flüssigkristalle von der Temperatur wird heute sowohl zur Beschaffung einer qualitativen Übersicht der Temperaturverteilung auf Oberflächen als auch zur quantitativen derselben angewendet.

Bei der bisherigen quantitativen Bestimmung der Temperatur werden Farbdiapositive der Reflexionsfarbenverteilung mit Farbdiapositiven der gleichen Körperoberfläche von bekannter und gleichförmiger Temperatur verglichen und die Temperaturverteilung quantitativ bestimmt. Hierbei treten Fehler infolge der Farbverschiebung durch ungleichmäßige Beleuchtung der Körperoberfläche und durch möglicherweise unterschiedliche Filmemulsionen und Filmentwicklungen auf. Diese Fehler können nur mit großem Aufwand mit speziellen Bildverarbeitungscomputern nachträglich korrigiert werden. Die Auflösung der Temperatur beträgt hierbei etwa 0,2 Grad C, was auch mit Thermoelementen erreichbar ist. Wegen der genannten Fehlermöglichkeiten und des erheblichen Aufwandes bei mäßiger Auflösung hat sich dieses Verfahren in der Praxis nicht durchsetzen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei welchem die Fehlermöglichkeiten der Fotoauswertung ausgeschlossen sind und zugleich die Temperaturauflösung erheblich gesteigert ist und eine Kurzzeitmessung schnell veränderlicher Temperaturen möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Ansprüchen erreicht.

Vorzugsweise kann auch ein weißer Lichtstrahl benutzt werden, der nach der Reflexion spektral zerlegt wird, wodurch seine Farbe, die nunmehr der Temperatur der zu messenden Oberfläche entspricht, festgestellt werden kann.

Der Lichtstrahl kann nach Bedarf punktförmig oder linienförmig auf die zu messende Oberfläche auftreffen. Er ist dabei vorzugsweise polarisiert.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann eine Optik aufweisen, durch welche der auf die Oberfläche gelenkte Lichtstrahl sowie der von ihr reflektierte Lichtstrahl geleitet wird. Dieser Optik ist zweckmäßigerweise die Vorrichtung zur Spektralanalyse zugeordnet. Diese kann ein Prisma aufweisen.

Von Vorteil ist es, wenn die Optik einen Spiegel aufweist, welcher den reflektierten Lichtstrahl in die Spektralanalyseneinrichtung einlenkt.

Die Optik kann Filtereinrichtungen enthalten und eine veränderliche Brennweite aufweisen.

Zweckmäßigerweise ist der Optik eine Auswerte- und Anzeigeelektronik nachgeschaltet, die mindestens einen lichtempfindlichen Sensor aufweist.

Die zu messende Oberfläche ist mit besonderem Vor­ teil auf der Innenseite einer wärmeleitenden Kalotte vorgesehen, in welcher Glasfiberkabel enden, durch welche der auf die Meßfläche gelenkte sowie der von ihr reflektierte Lichtstrahl geleitet werden.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens bzw. der Vorrichtung besteht darin, daß die Temperatur einer Oberfläche mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, wobei die erreichbare Auflö­ sung 10E - 7 Grad C beträgt. Dieser Wert ist außeror­ dentlich hoch und übersteigt die erreichbaren Werte bisher bekannter Verfahren um mehrere Größenord­ nungen. Gleichzeitig erfolgt die Messung außerordent­ lich schnell, so daß Echtzeitbestimmungen der Tempe­ ratur in kurzem Abstand möglich sind, so daß auch Tem­ peraturverläufe bei schnellveränderlichen Temperatu­ ren feststellbar sind. Die Einrichtung ist dabei so ausge­ legt, daß Störungen durch polarisiertes Licht eliminiert sind. Der Abstand zur Meßoberfläche ist beim Einsatz einer Optik mit veränderbarer Brennweite ohne Bedeu­ tung, da die Einstellung leicht vorgenommen werden kann. Mittels vorgefertigter Meßflächen, beispielsweise der Innenfläche einer Kalotte ist es möglich, Thermome­ ter bzw. Temperatursonden von äußerst geringer Grö­ ße aufzubauen, die beispielsweise in der Medizin zur Anwendung kommen können.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden in folgendem anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit einem Prisma zur Spektral­ zerlegung eines weißen Lichtstrahls;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ähnlichen Einrichtung wie in Fig. 1, die jedoch mit mehreren dis­ kreten Lichtstrahlen verschiedener Farben arbeitet;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ähnlichen Einrichtung wie in Fig. 2, jedoch mit einer Optik, die einen sogenannten Lichtschnitt erzeugt; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Tempera­ tursonde, die über Glasfiberkabel an die Optik ange­ schlossen ist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Be­ stimmung der lokalen Wandtemperatur mit weißem Licht mittels spektralselektiver Reflexion ist in Fig. 1 dargestellt.

Aus der Lichtquelle 1 tritt ein dünnes nahezu paral­ leles Bündel weißer Strahlung aus. Dieses Lichtbündel wird mit Hilfe der zwei Lochblenden 2 und 3 auf die optische Achse des nachfolgenden optischen Aufbaus ausgerichtet. Die zweite Lochblende besteht aus einer Quadrantsegmenten-Photodiode mit einer kreisförmi­ gen Öffnung im Kreuzunkt der Segmententrennlinien. Diese "Loch-Quadranten-Photodiode" erfüllt gleichzei­ tig zwei Funktionen: sie ermöglicht zum ersten die ge­ naue Strahlausrichtung auf die optische Achse, indem die Gleichheit der Photoströme aus vier Segmenten als Maß für die exakte Ausrichtung herangezogen wird. Zum zweiten dient die Summe der Photoströme als die Normierungsgröße für Eliminierung des Einflusses der Lichtstromschwankungen infolge der Schwankungen der Lichtqelle auf den Ausgangssignalen oder auch als das Modulationssignal, wie weiter unten erläutert ist. Die elektronische Verarbeitung dieser Operationen er­ folgt durch eine Auswerte-Elektronik 16.

Zur Erzielung von großen Signal/Rausch Verhältnis­ sen mit phasengekoppelten sogenannten "Lock-in" Ver­ fahren, kann ein elektro-optischer Modulator (Chopper) 4 zwischen den beiden Lochblenden eingebracht wer­ den. Als Modulator kann eine Kerr-Zelle, eine Pockel- Zelle oder eine Bragg-Zelle als akusto-optischer Modu­ lator eingesetzt werden.

Das parallele Lichtbündel, je nach Betriebsart modu­ liert oder unmoduliert, tritt dann durch die Öffnung des Spiegels 5 und wird nach dem Durchlaufen des Polarisa­ tors 6 und der X/4-Platte 7 z. B. rechtszirkular polari­ siert. Das rechtszirkular polarisierte parallele Lichtbün­ del wird mit dem konkav/konvexen Linsensystem von variabler Brennweite, bestehend aus der axial ver­ schiebbaren Konkavlinse und der feststehenden Kon­ vexlinse 9, auf der mit dünnem Flüssigkristallüberzug versehenen Wandoberfläche 10 fokussiert. Dank der va­ riablen Brennweite kann der Abstand zwischen dem Meßaufbau und dem Meßobjekt leicht den eingegebenen Verhältnissen angepaßt werden.

Die vom Meßpunkt reflektierte Strahlung wird nach dem Durchlaufen der Linsen 8 und 9 wieder parallel. Das Linsensystem 8 und 9 dient also sowohl der Fokus­ sierung der Strahlung am Meßpunkt als auch der Sammlung der reflektierten Strahlung von Flüssigkri­ stallen.

Die von Flüssigkristallen spektralselektiv reflektierte Strahlung ist ebenfalls rechtszirkular polarisiert und da­ her nach dem Durchgang durch die X/4-Platte wieder so linear polarisiert, daß der Polarisator 6 sie bei geeig­ neter Orientierung vollständig durchläßt. Dagegen ist die an der Grenzfläche zwischen der Luft und der Ober­ fläche der Flüssigkristalle bzw. der die Flüssigkristalle umhüllenden glatten Gelatineoberfläche (mikrogekap­ selte Flüssigkristalle) spiegelnd reflektierte Strahlung infolge des Phasensprungs um 180 Grad linkszirkular polarisiert. Diese linkszirkular polarisierte spiegelnd re­ flektierte Strahlung wird dann durch die X/4-Platte 7 so linear polarisiert, daß sie durch den Polarisator 6 voll­ ständig versperrt wird. Hierdurch wird erreicht, daß die stets vorhandene, dem eigentlichen Signal der durch die Flüssigkristallmoleküle spektralselektiv reflektierte Strahlung störend überlagerte, spiegelnde Reflexion ausgeschaltet wird.

Das spektralselektiv reflektierte parallele Strahlbün­ del wird nach dem Polarisator 6 am Spiegel 5 umgelenkt und durch den Gallilei'schen Teleskopstrahlengang mit den Linsen 11 und 12 zu einem dünnen parallelen Strah­ lenbündel verdichtet und dem Dispersionsprisma 13 zu­ geführt. Das dünne Strahlbündel von einer Wellenlänge, die der augenblicklichen Temperatur der Flüssigkristal­ le an der Wandoberfläche 1 entspricht, wird am Prisma 13 so gebrochen, daß es nach der Umlenkung an Spiegel 14 an einer dieser Wellenlänge fest zugeordneten Stelle den Strahlungssensor 15 trifft. Die Position des Strahl­ bündels am Strahlungssensor 15 ist ein Maß für die Wel­ lenlänge und somit ebenfalls ein unmittelbares Maß für die Temperatur des Meßpunktes 10. Als Positionssensor kann eine Positionsphotodiode oder eine sogenannte CCD-Zeile verwendet werden. Die elektronische Zu­ ordnung der Positionen zur Temperatur geschieht in der Auswert-Elektronik 16, und sie wird auf einem ge­ eigneten Ausgabegerät 17, z. B. auf einem Oszilloskop zur Anzeige gebracht.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zur lokalen Wärme­ übergangsmessung ist in Fig. 2 dargestellt. Das hier ge­ zeigte instationäre Verfahren zur Bestimmung des loka­ len Wärmeübergangs läuft auf die Bestimmung der lo­ kalen Wandtemperatur an verschiedenen Zeitpunkten, wenigstens an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten hinaus. Hierzu wird nun anstatt einer weißen Strah­ lungsquelle ein Mehrfarben-Laser als Strahlungsquelle verwendet, z. B. einer mit drei diskreten Laserlinien von X 1, X 2 und X 3.

Der übrige Meßaufbau und die Funktionsweise der Temperaturmessung sind denen im ersten Ausführungs­ beispiel gleich bis auf den Strahlungssensor. Anstelle eines die Position kontinuierlich auflösenden Sensors treten nun z. B. drei einzelne Photodioden 15′, die dem Strahlungsgang der jeweiligen Laserlinien fest zugeord­ net sind. Den Zeitpunkt, zu dem eine der Laserlinien temperaturabhängig selektiv reflektiert wird, markiert das Signal an der zugeordneten Photodiode. Damit der zeitliche Verlauf der lokalen Wandtemperatur be­ stimmt und der Wärmeübergang kann ermittelt werden.

Ein drittes Ausführungsbeispiel zur Temperatur und Wärmeübergangsmessung an mehreren Meßpunkten entlang einer Geraden zu gleicher Zeit ist in Fig. 3 dar­ gestellt.

Hierzu wird eine linienförmige Ausleuchtung der Wandoberfläche mit Hilfe eines Lichtschnitterzeu­ gungssystems 18 vorgenommen. Das Lichtschnitterzeu­ gungssystem besteht aus einem Strahlverdichter 19 zur Erzeugung von dünnen parallelen Strahlenbündeln und aus den Strahlauffächerungsoptiken 20 zur Erzeugung eines dünnen Lichtbandes senkrecht zur Zeichenebene. Mit den Strahlenauffächerungsoptiken aus zwei Zylin­ derlinsen kann die gewünschte Länge der Lichtschnitt­ ausleuchtung auf der Wandoberfläche durch die Verän­ derung des Abstandes zwischen den beiden Zylinderlin­ sen eingestellt werden.

Zur Fokussierung des Lichtschnittes und zur Samm­ lung der reflektierten Strahlung werde die Zylinderlin­ sen 8′ und 9′ verwendet. Die Linsen 11′ und 12′ sind ebenfalls zylindrisch.

Die Funktionsweise dieser Anordnung zur Bestim­ mung der Temperatur und des Wärmeübergangs ist identisch mit den Ausführungsbeispielen 1 und 2. Hier werden aber so viele Zeilen der Strahlungssensoren 15′′ in der Tiefe, d. h. in Richtung der Lichtschnittausleuch­ tung zusätzlich installiert, wie Meßpunkte entlang des Lichtschnittes gewünscht werden. Die Abstände der Strahlungssensorenzellen sind den Meßpunktabständen an der Wandoberfläche anzupassen. Als Zeilensensoren können mehrere parallel angeordnete Positionsdioden für die Temperaturmessung und für die Wärmeüber­ gangsmessng mehrere Zeilen der dreier Photodioden dienen. Für eine große Anzahl der Meßpunkte empfiehlt es sich, CCD (Charge Coupled Devices)-Zeilen bzw. -Kamera zu verwenden.

Ein viertes Ausführungsbeispiel, d. h. eine Tempera­ tursonde für die Verwendung in Fluiden und festen Kör­ pern, insbesondere für die medizinische Anwendung zur Temperaturmessung an inneren Organen ist in Fig. 4 dargestellt.

Die Temperatursonde ist aufgebaut wie ein flexibles Glasfaser-Endoskop und kann eigenständig verwendet werden oder durch den Sondenkanal eines handelsübli­ chen Endoskopes geschoben werden. Die Temperatur­ sonde besitzt einen gut wärmeleitenden kalottenförmi­ gen Abschluß 10′, dessen Innenseite mit dünnen Flüssig­ kristallschichten 10 a überzogen ist. Zwei flexible Glasfa­ serbündel 21, 22 dienen als Sende- bzw. Empfangslei­ tung für das Beleuchtungslicht aus der Lichtquelle 1 bzw. für das spektralselektiv reflektierte Licht von der Flüssigkristallschicht zu den Empfangsoptiken 8-12 und dem Dispersionsprisma 13. An die Glasfaserbündel brauchen keine besonderen Anforderungen gestellt werden, da sie nur Licht, aber keine Bilder übertragen sollen. Das Meßprinzip ist das gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Die Temperatursonde kann sehr klein gebaut werden, und dadurch erlaubt sie auch sehr schnell veränderliche und infolge der hohen Auflösung sehr kleine Tempera­ turfluktuationen in Fluiden oder in inneren Organen zu messen.

Claims (2)

1. Optisches Meßverfahren zur Bestimmung der Temperatur an Oberflächen mit Stoffen, deren Farben sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändern, beispielsweise Flüssigkristallen, bei dem ein von einer Lichtquelle ausgesandter Lichtstrahl auf den Stoff gelenkt und der reflektierte Lichtstrahl mindestens einem lichtempfindlichen Sensor zugeleitet wird und bei dem aus der Wellenlänge des reflektierten Lichtstrahls die Temperatur des Stoffes bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Lasers gleichzeitig Licht verschiedener bekannter definierter Wellenlängen auf den Stoff gelenkt wird und daß die jeweils reflektierten Lichtstrahlen hinsichtlich ihrer jeweiligen Wellenlänge mittels Spektralanalyse ermittelt werden und dabei zeitlich parallel eine Zeitmessung erfolgt, wobei die Zeitpunkte und die Wellenlängen einander zugeordnet werden und damit eine Aussage über den zeitlichen Temperaturverlauf im Stoff gemacht wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Lichtquelle, die einen Lichtstrahl auf Stoffe, deren Farben sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändern, lenkt, und mit einem lichtempfindlichen Sensor zur Aufnahme eines reflektierten Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Durchführung einer Spektralanalyse des reflektierten Lichtstrahls und als Lichtquelle ein Laser vorgesehen sind, und daß im Strahlengang zwischen Laser und Stoff zur Trennung des von der freien Oberfläche des Stoffes spiegelnd reflektierten Lichts von dem aus dem Stoff reflektierten Licht und zum Durchtritt des aus dem Stoff reflektierten Lichts auf den Sensor ein Polarisator (6) und eine Lambda/4-Platte (7) angeordnet sind.