DE10140829A1

DE10140829A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung

Info

Publication number: DE10140829A1
Application number: DE10140829A
Authority: DE
Inventors: Joerg Kaiser; Peter Christian Kaiser; Peter Josef Kaiser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Die Oberflächentemperatur eines Objekts (2) soll mit billigeren und einfacheren Mitteln als beim Stand der Technik angezeigt werden. DOLLAR A Die Temperaturmessung erfolgt im infrarotnahen Bereich mit einer im Infrarotbereich empfindlichen Fernsehkamera. Die zu erfassende Temperaturspanne wird durch die Kamerablende und vorgeschaltete optische Filter festgelegt. Die Ausgangssignale der Kamera (3) erzeugen mit Hilfe einer Auswerteelektronik (6) auf einer Anzeigeeinrichtung (7) eine Temperaturdarstellung.

Description

Es ist bekannt, die Oberflächentemperatur von Objekten mit Hilfe eines Infrarotthermographiekamerasystems zu messen. Dabei wird eine Infrarotthermographiekamera auf die Oberfläche des Gutes gerichtet und aus dem dadurch erzeugten Farbbild ein Temperatursignal gebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Messung von Oberflächentemperaturen gegenüber dem Stand der Technik zu vereinfachen und zu verbilligen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die infrarotnahe Strahlung des Gutes von einer im Infrarotbereich empfindlichen Fernsehkamera, vorzugsweise Schwarz- Weiß-Kamera, erfasst. Das aufgenommene Bild wird an eine Bildverarbeitungseinheit weitergeleitet, die aus dem Grauwertbild Temperaturinformationen sowie ein Falschfarbenbild der aufgenommenen Szene erzeugen kann.

Die berührungslose Temperaturmessung beruht auf dem Planck'schen Strahlungssatz:

M₂ = c₁/λ⁵.(1/(exp(c₂/(λ.T))-1))

Die spektrale spezifische Ausstrahlung wird in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Temperatur T beschrieben.

In der Fig. 1 ist dieser Zusammenhang für verschiedene Temperaturen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass sich das Maximum der Strahlung mit steigender Temperatur in den kurzwelligen Bereich verschiebt. Somit lassen sich Temperaturen über 450 Grad C (723 K) im infrarotnahen Bereich erkennen und darstellen.

Umgebungseinflüsse haben eine nicht unerhebliche Auswirkung auf Messung und Darstellung der gewonnenen Daten. Dies sind bei der beschriebenen Messung in erster Linie:
Emissionsgrad des zu messenden Objekts
Transmissionsgrad der Messstrecke
Entfernung zum Objekt
Parameter des Messsystems (Objektiv, Sensor, Übertragungsstrecke, Grabber etc.)

Der Emissionsgrad wird hauptsächlich vom Oberflächenmaterial des Objekts bestimmt und ist in zweiter Linie von der Temperatur abhängig. Beide Parameter können bei einer bestimmten Systemeinrichtung bestimmt werden und sollten sich nicht verändern, wobei die Temperaturabhängigkeit bei der Messung kompensiert wird. Der Transmissionsgrad ist bedingt durch Luftverschmutzung, Luftfeuchtigkeit, Verstaubung und Verrauchung der Messstrecke. Diese Umgebungsparameter müssen bei der Installation berücksichtigt werden und sollten, wenn sie nicht vermeidbar sind, konstant gehalten werden. Die Objektentfernung ist bei einer bestimmten Installation konstant.

Die Parameter des Messsystems werden durch eine einmalige Kalibrierung des Systems bestimmt und ändern sich im wesentlichen nur bei einem Austausch der Hardware.

Die Aufnahmeeinheit liefert je nach Einstellung ein Grauwertbild in einer Temperaturspanne von 150-250 K. Diese Temperaturspanne wird mittels Hardware fix auf den interessierenden Temperaturbereich, z. B. 450-650 Grad C festgelegt und kann durch eine Neueinstellung verändert werden. Die Grenzwerte liegen dabei bei einer minimalen Temperatur von 450 Grad C und einer maximalen Temperatur von >1200 Grad C. Der obere Grenzwert wird nur durch die Hitzebeständigkeit des Systems begrenzt.

Die Bildgeometrie, also die Größe des Bildausschnitts, wird bei der Einrichtung des Systems festgelegt.

Das so aufgenommene Bild wird von einer z. B. bis zu 100 m entfernten Bildverarbeitungseinheit ausgewertet. Die Bildverarbeitungseinheit kann aus den Bilddaten beispielsweise folgende Werte ermitteln und ausgeben:
Maximale Temperatur im Blickfeld
Minimale Temperatur im Blickfeld
Durchschnittstemperatur im Blickfeld

Zur visuellen Unterstützung des Bedieners kann eine Falschfarbendarstellung des Bildes angezeigt werden, die das Grauwertbild in eine Farbdarstellung, korrespondierend mit der Temperatur, umsetzt. Ferner können Diagramme angezeigt werden, die ein Temperaturprofil über die Objektbreite bzw. -höhe angeben, sowie ein Histogramm, das die Häufung der Temperaturwerte darstellt. Alle ermittelten Daten können über einen bestimmten Zeitraum archiviert oder optional ausgedruckt werden. Die Auflösung des Systems ist abhängig von der Temperaturspanne, sowie vom Temperaturbereich. Bei einer Spanne von 250 K kann eine Auflösung von etwa 1 K mit einer Genauigkeit von 10 K erreicht werden, wobei diese Werte von den oben erwähnten Umgebungsparametern abhängen. Wenn das System nicht über eine Selbstkalibrierung verfügt, sollte zur Aufrechterhaltung der Gültigkeit der Messwerte regelmäßig eine Nachkalibrierung erfolgen (1-2mal jährlich). Bei dieser Nachkalibrierung wird ein Körper bekannter Temperatur und bekannter Objektparameter (Emissionsgrad, Entfernung usw.) in das Blickfeld eingebracht und die Systemparameter werden entsprechend angepasst.

In der Fig. 2 ist ein Beispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt.
In einem Gehäuse 1 befindet sich ein Objekt 2, z. B. glühendes Material, dessen Oberflächentemperatur gemessen wird. Hierzu ist eine im Infrarotbereich empfindliche Schwarz-Weiß-Fernsehkamera 3 durch ein Fenster 4 im Gehäuse 1 auf die Oberfläche des Objekts 2 gerichtet. Die Kamera 3 ist in einem wassergekühlten Gehäuse 5 angeordnet. Ihre Ausgangssignale werden einer Auswerteelektronik 6 zugeführt, der ein Monitor 7 als Anzeigeeinrichtung für die Temperatur zugeordnet ist. Die zu erfassende Temperaturspanne wird durch die Kamerablende und vorgeschaltete Filter festgelegt.

Claims

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung im Bereich >700 K mit einer im Infrarotbereich empfindlichen Fernsehkamera (3) zur Erfassung von Bildern des Messobjekts im infrarotnahen Bereich, bei der die zu erfassende Temperaturspanne durch die Kamerablende, Kamera, Parameter und vorgeschaltete optische Filter festgelegt wird, wobei die Ausgangssignale der Fernsehkamera (3) einer Auswerteelektronik (6) zugeführt werden, der eine Anzeigevorrichtung (7) zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei die Auswerteelektronik (6) und die Anzeigeeinrichtung (7) so ausgebildet sind, dass die maximale Temperatur, die minimale Temperatur und die Durchschnittstemperatur im Blickfeld ermittelt und ausgegeben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Auswerteelektronik (6) und die Anzeigeeinrichtung (7) so ausgebildet sind, dass das Grauwertbild als Falschfarbendarstellung, korrespondierend mit der Temperatur wiedergegeben wird.