DE102013208687A1

DE102013208687A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer Raumtemperatur

Info

Publication number: DE102013208687A1
Application number: DE102013208687.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoeynck; Jan Rexilius; Peter Guse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum zeitgleichen Messen von mehreren thermischen Messwerten, die jeweils an einem anderen Messort (1–9) innerhalb eines Raumes (20) gemessen werden. Hierzu weist die Vorrichtung einen thermischen Bildsensor (10) auf, der ein thermisches Abbild des zu vermessenden Raumes (20) erstellt. Zum Ermitteln der Raumtemperatur werden Messwerte einem Messort (1–9) zugeordnet und nur eine Auswahl der Messwerte, die in einem vorgegebenen Wertebereich liegen, zum Ermitteln der Raumtemperatur verwendet. Von einem Sollbereich abweichende Messwerte werden entweder nicht berücksichtigt oder nur gering gewichtet verwendet, um die Raumtemperatur weitgehend realitätsgetreu zu ermitteln.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit denen die Durchschnitts-Temperatur in einem Raum ermittelt werden kann.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die automatische Regelung der Temperatur in einem Raum an einen vorbestimmten Sollwert ist oftmals von Interesse. So wird beispielsweise die Temperatur in einem Raum abhängig von der Raumnutzung eingestellt. In einem Wohnzimmer wird typischerweise eine höhere Temperatur als im Schlafzimmer gewünscht. Auch können Wärmequellen in dem Raum vorhanden sein, die eine andere Regulierung der Raumtemperatur nötig machen.
Herkömmlicherweise wird jedoch die Temperatur punktuell kontaktbehaftet oder berührungslos an einem gewünschten Ort von einem Temperatursensor gemessen. Der Messort kann dort sein, wo der Sensor angeordnet ist oder an der Position, auf die der Sensor gerichtet ist oder von wo er entsprechende Signale empfängt, wie es beispielsweise in der DE 10 2009 029 943 B4 offenbart ist. Oftmals wird ein Heizungsthermostat verwendet, der in der Nähe des Heizkörpers oder innerhalb einer thermischen Luftströmung, die von der Wärmequelle ausgeht, angeordnet ist. Durch die Wärmequelle können jedoch die gemessenen Werte stark beeinflusst sein, so dass eine Temperatur ermittelt wird, die nicht repräsentativ für den gesamten Raum ist.
Auch eine technisch und wirtschaftlich wünschenswerte Integration des Sensors in Aktuatorik (Heizkörpersteller) oder Bedienteil (Raumthermostat) kann potentiell zu fehlerhaft ermittelten Raumtemperaturen führen. Um die Temperaturverteilung im Raum genauer zu erfassen, ist in DE 199 21 518 A1 offenbart, den Raum mit einer thermografischen Aufnahmekamera berührungslos zu erfassen. Dabei wird der zu untersuchende Raum abschnittsweise abgetastet, indem die Kamera mit Hilfe einer Schwenkanordnung den Raum scannt. Anschließend werden die einzelnen Abschnitte ausgewertet und zu einem thermografischen Gesamtbild zusammengesetzt.
Eine solche resultierende Ermittlung der Raumtemperatur ist sehr aufwändig. Es werden bewegte Teile zum Erfassen der Temperaturen benötigt, die jedoch fehler- und störanfällig sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen thermische Messwerte von einem weitgehend gesamten Raum gleichzeitig erfasst werden können und zumindest aus einem Großteil der Messwerte eine resultierende Raumtemperatur ermittelt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst.
Demgemäß ist ein thermischer Bildsensor vorgesehen, der mehrere matrix- und flächenförmig angeordnete Sensorelemente aufweist. Die Sensorelemente erfassen die thermische Lichtstrahlung eines zu vermessenden Raumes und wandeln die Lichtstrahlung jeweils in entsprechende Messwerte um. Jedem Sensorelement und damit jedem Messwert ist ein Messort des Raumes zugeordnet. Eine Auswerteeinheit wertet die Messwerte der Sensorelemente aus. Mit Hilfe eines vorgegebenen mathematischen Algorithmus und unter Berücksichtigung der mit den Messwerten verknüpften Messorte wird bei Vorliegen der Messwerte innerhalb einem vorbestimmten Wertebereich die Raumtemperatur ermittelt.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung resultiert in einer Nutzung eines einfachen, flächigen Bildsensors, der die thermische Lichtstrahlung ortsabhängig erfasst. Der Bildsensor muss nicht bewegt werden, um den gesamten Raum zu erfassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Vorteilhaft ist es, wenn die Messwerte mit einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert verglichen werden und nur diejenigen Messwerte, die zwischen den beiden Schwellenwerten liegen zum Ermitteln der Raumtemperatur verwendet werden. Somit bleiben zufällige Messfehler (Ausreißer nach oben oder nach unten über die Schwellenwerte hinweg) unberücksichtigt. Ebenso werden Messwerte für die Ermittlung der Raumtemperatur unterdrückt, die von Wärmequellen stammen und das Gesamtergebnis verfälschen würden.
Um die Ermittlung der Raumtemperatur besser an die Verhältnisse in einem Raum anzupassen und einen besseren, repräsentativen Durchschnittswert für den gesamten Raum zu erhalten, können die Messwerte, die den oberen Schwellenwert überschreiten oder den unteren Schwellenwert unterschreiten, mit einem Korrekturfaktor gewichtet zum Ermitteln der Raumtemperatur verwendet werden.
Vorteilhafterweise können mit Hilfe der ortsabhängigen Messwerte und deren zugeordneten Messorten Gruppen von Messwerte gebildet werden, wobei die Messwerte innerhalb eine Gruppe weitgehend gleich groß sind, um abhängig von einer aus einer Gruppe ermittelten Temperatur Objekte zu erkennen, die beim Ermitteln der Raumtemperatur nicht berücksichtigt werden sollen. So können beispielsweise Personen oder Wärmequellen, wie Heizkörper erkannt werden.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine perspektivische Darstellung eines Raumes, in dem die Raumtemperatur ermittelt werden soll;
2 eine Draufsicht auf einen Raum, in dem die Raumtemperatur mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt wird;
3 ein Histogramm mit Messwerten zum Ermitteln einer Raumtemperatur; und
4 eine Draufsicht auf den Raum nach 2 mit unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist perspektivisch ein Raum 20 dargestellt, für den eine „mittlere“ oder „durchschnittliche“ Raumtemperatur ermittelt werden soll, mit der dieser Raum bezüglich seiner vorgewählten Wunschtemperatur temperiert werden soll. Hierzu ist ein Bildsensor 10 vorgesehen, der ein zweidimensionales, thermisches Abbild des Raumes 20 erstellt.
Hierzu weist der Bildsensor 10 eine Vielzahl von matrix-förmig angeordneten Sensorelementen 11 auf. Jedes Sensorelement 11 wird einem Ort oder Position (im Folgenden als Messort 1–9 bezeichnet) im dreidimensionalen Raum 20 örtlich zugeordnet, und zwar eine Position an einer Oberfläche von Objekten, Gegenständen, Wand-, Decken- oder Bodenflächen im Raum 20. Jeder Messort 1–9 ist durch seine Position im Raum und die dort herrschende Temperatur charakterisiert.
Je größer die Anzahl der Sensorelemente 11, desto höher ist die thermische Auflösung für das thermische Abbild des Raumes 20, d.h. desto mehr Bildpunkte weist das Abbild des Raumes 20 auf. Je nach Genauigkeit und Notwendigkeit kann der Bildsensor eine Auflösung von einigen Tausend Pixeln und damit Sensorelementen haben. Bei sehr hoher Auflösung kann der Bildsensor 10 beispielsweise 640 × 480 Pixel aufweisen und es ist dann eine feine Messung mit guter Erkennung und Abgrenzung von Gegenständen oder Objekten im Raum möglich. Für die Genauigkeit spielen auch noch die Raumgröße und das gegebenenfalls verwendete Objektiv 12 eine wichtige Rolle.
Um den Raum 20 möglichst weitgehend zu erfassen und alle Ecken und Wände des Raumes 20 zu vermessen, kann vor dem Bildsensor 10 eine geeignete optische Linse oder ein geeignetes Objektiv 12 angeordnet sein, wie beispielsweise ein Fischaugenobjektiv, wie es bei Kameras verwendet wird, um einen großen Bildbereich zu erfassen.
Der Bildsensor 10 erfasst Lichtstrahlung aus dem zu vermessenden Raum 20 und wandelt diese Lichtstrahlung in entsprechende Messwerte um. Vorzugsweise funktioniert der Bildsensor 10 nach dem Prinzip der Thermografie. Die Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur von Objekten, hier des Raumes 20. Dabei wird die Intensität der Infrarotstrahlung, die von jedem Oberflächenpunkt des Raumes 20 ausgeht, als Maß für dessen Temperatur gedeutet. Der Bildsensor 10 erfasst also die optische Wärmestrahlung des Raumes 20 im Infrarot-Bereich und wandelt dieses in ein thermisches Abbild um. Infrarotstrahlung (IR-Strahlung oder auch als Wärmestrahlung bezeichnet), ist Teil der optischen Strahlung und damit Teil des elektromagnetischen Spektrums.
Die IR-Strahlung fällt auf den Bildsensor 10 mit den arrayförmig angeordneten Sensorelementen 11. Die IR-Strahlung wird in einen Spannungswert abhängig von der IR-Wellenlänge und damit abhängig von der am jeweiligen Messort 1–9 herrschenden Temperatur gewandelt. Die Ausgangssignale der Sensorelemente 11 liegen somit als Spannungswerte vor, die abhängig von der Höhe der Spannung digitalisiert und einer Graustufe zugeordnet werden.
Es entsteht also ein zweidimensionales Abbild mit einem Array von Bildpunkten, d.h. mit der Anzahl von Pixeln, die der Bildsensor 10 aufweist. Jedes Pixel (oder Bildpunkt) des Abbildes stammt jeweils von einem Sensorelement 11. Wenn jedem Sensorelement 11 ein Messort 1–9 zugeordnet ist, so kann auch jeder Messwert, d.h. jede gemessene Temperatur mit einem Messort 1–9 verknüpft werden. Es entsteht also eine Vielzahl von Messdaten (thermisches Abbild), die nun mit Hilfe von digitaler Bildverarbeitung ausgewertet werden können.
Zur Analyse des thermischen Abbildes mit Methoden der Bildverarbeitung ist der Bildsensor 10 mit einer Auswerteeinheit 13 verbunden. Die Auswerteeinheit 13 kann separat im Raum 20 oder in einer zentralen Raumtemperatursteuerung (nicht zeichnerisch dargestellt) angeordnet sein oder auch in den Bildsensor 10 selber integriert sein.
2 verdeutlicht die Messung der Temperaturen im Raum 20 abhängig vom jeweiligen Messort 1–9. Der Einfachheit halber und des besseren Überblicks wegen sind in der 2 lediglich neun Messorte 1–9 als Kreise dargestellt, die von dem Bildsensor 10 gemessen werden. In diesem Fall würde der Bildsensor 10 neun Sensorelemente 11 aufweisen.
Die von den Messorten 1–9 abgestrahlte Wärmestrahlung fällt auf den Bildsensor 10. Jedes Sensorelement 11 empfängt die Wärmestrahlung von einem anderen Messort 1–9. Die Sensorelemente wandeln die Wärmestrahlung abhängig von der empfangenen Wellenlänge (die an einem Ort herrschende Temperatur
wird bei der Wärmestrahlung durch die Wellenlänge charakterisiert) in einen elektrischen Spannungswert um. Diese Spannungswerte werden mit Hilfe eines A/D-Wandlers in Digitalwerte gewandelt, die den gemessenen Temperaturen an den zugeordneten Messort 1–9 entsprechen. Das auf diese Weise erhaltene thermische Abbild des Raumes wird mit den so erhaltenen Messwerten und den zugehörigen Messorten 1–9 in der Auswerteeinheit 13 abgespeichert. Danach können die Messwerte und damit das thermische Abbild analysiert oder ausgewertet werden. Die Messung der Temperaturen und die Auswertung davon können fortlaufend oder in regel- oder unregelmäßigen Zeitabständen vorgenommen werden.
Vorzugsweise ist der Bildsensor 10 an exponierter Stelle im Raum 20 derart angeordnet, dass weitgehend der gesamte Raum 20 erfasst werden kann. Wenn der Bildsensor 10 möglichst zentral an der Decke (wie in 1 dargestellt) angeordnet ist, so dass die Erfassungsrichtung von oben in alle Richtungen in den Raum 20 zeigt, wird weitgehend die gesamte Oberfläche des Raumes 20 erfasst und nur geringe Oberflächen werden durch zum Teil bewegliche Objekte (Personen) verdeckt. Wenn der Bildwinkel des Bildsensors 10 nicht groß genug ist, weitgehend den gesamten Raum zu erfassen, wird ein entsprechendes Objektiv 12 vor den Bildsensor 10 angeordnet, wodurch dann die wirksam erfasste Oberfläche des Raumes 20 erweitert werden kann.
Die Messwerte können auf verschiedene Arten ausgewertet werden. Bei einer einfachsten Ausführungsform werden die Messwerte mit einem einzigen Schwellenwert verglichen. Alle Messwerte die kleiner als der Schwellenwert sind, werden zum Ermitteln der Raumtemperatur verwendet. So kann beispielsweise der Schwellenwert 27 °C betragen. Alle gemessenen Temperaturen, die kleiner als 27 °C sind, werden dann mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus zum Ermitteln der Raumtemperatur verwendet. Höhere Temperaturen, wie sie bei einem Menschen in dem Raum 20 oder bei einem Heizkörper gemessen werden, werden daher für das Ermitteln der resultierenden Raumtemperatur unterdrückt.
Um das Ermitteln der Raumtemperatur etwas genauer zu gestalten, können alle anderen Messwerte außerhalb des Wertebereichs ΔT (als Wertebereich ΔT wird bei dieser Ausführungsform alle Temperaturen kleiner 27 °C und größer 0 °C angesehen) mit einem Korrekturfaktor gewichtet in die Ermittlung der Raumtemperatur einfließen. Der Korrekturfaktor kann für jede Temperatur außerhalb des Wertebereichs ΔT – auch abhängig von der absoluten Größe des Messwerts – unterschiedlich sein und zwischen „0“ und „1“ betragen. Vorzugsweise werden die größeren Temperaturen relativ gering oder mit „0“ gewichtet, damit die Ermittlung der Raumtemperatur einen möglichst realitätsgetreuen, resultierenden Durchschnittswert ergibt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel für die Analyse des thermischen Abbildes des Raumes 20 wird ein Histogramm (3) mit der Temperatur auf der Abszisse verwendet, das die Häufigkeitsverteilung der gemessenen Temperaturen graphisch darstellt. Dazu wird jede gemessene Temperatur (d.h. jedes Pixel mit seinem entsprechenden Messwert) entsprechend seiner Temperaturhäufigkeit in das Histogramm eingetragen. Anschließend werden ein oberer Schwellenwert T₁ und ein unterer Schwellenwert T₂ anhand der Häufigkeitswertverteilung festgelegt. Nur die Häufigkeitswerte von Temperaturen zwischen den beiden Schwellenwerten T₁ und T₂ (dies wird als vorgegebener Wertebereich ΔT bezeichnet) werden nun ausgewertet. Und zwar werden nur die Temperaturen zwischen den beiden Schwellenwerten T₁ und T₂ ausgewertet und zur Ermittlung der Raumtemperatur herangezogen. Für die Auswertung kann auch der Messort 1–9 mitberücksichtigt werden.
Auch beim ersten Ausführungsbeispiel kann der Schwellenwert anhand eines Histogramms festgelegt werden, indem die Häufigkeitswerte analysiert werden und daraus ein sinnvoller Schwellenwert abgeleitet wird.
Der erste Schwellenwert T₁ kann beispielsweise 27 °C und der zweite Schwellenwert T₂ kann 18 °C betragen. Alle gemessenen Temperaturen, die größer als 27 °C und kleiner als 18 °C sind, werden somit automatisch nicht berücksichtigt. Daher werden Ausreißer oder punktuelle Temperaturen, die deutlich größer sind als beispielsweise die Oberflächentemperatur einer Heizung, für die Ermittlung der Raumtemperatur nicht berücksichtigt. Auch kleinere Temperaturen (kleiner als 18 °C) bleiben unberücksichtigt, da man üblicherweise davon ausgehen kann, dass es sich dabei wahrscheinlich um Messfehler handelt.
Statt alle anderen Messwerte, die sich außerhalb des Wertebereichs ΔT befinden, unberücksichtigt zu lassen, können diese auch mit einem Korrekturfaktor gewichtet in die Ermittlung der Raumtemperatur einfließen. So können beispielsweise Messwerte nahe der Schwellenwerte T₁ oder T₂ stärker und Temperaturen weiter weg entsprechend geringer gewichtet werden. Selbstverständlich können auch Kältebrücken im Raum vorhanden sein, deren Oberflächentemperatur möglichweise kälter ist und die einen Einfluss auf die Raumtemperatur haben. Solche Messwerte sollten dann auch – gegebenenfalls gewichtet – in die Ermittlung der Raumtemperatur mit einfließen.
Um eine einzige Raumtemperatur zu ermitteln, werden dann auf die ausgewerteten Temperaturen mathematische Algorithmen, wie beispielsweise Mittelwert, Median, Ausreißerdetektion, etc. angewendet. Zusätzlich können noch die Messorte 1–9 zu diesen Temperaturen verwendet werden, um das Ergebnis für die Raumtemperatur gegebenenfalls zu korrigieren oder die einzelnen Temperaturwerte je nach Messort 1–9 entsprechend zusätzlich zu gewichten. Letztendlich wird eine Raumtemperatur ermittelt, die nicht an einem einzigen Ort gemessen wurde, sondern eine Raumtemperatur, die über mehrere (oder viele) Messorte gegebenenfalls gewichtet gemittelt ermittelt wurde. Messwertausreißer oder Messfehler sowie Wärmequellen werden vorteilhafterweise bei der Analyse der Messwerte ausgeschlossen oder nur gering berücksichtigt. Dann kann eine realitätsgetreue Raumtemperatur als Istwert ermittelt werden, mit der dann die gewünschte Raumtemperatur als Sollwert besser geregelt werden kann.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel für das Analysieren der Messwerte wird das thermische Abbild in Bereiche ähnlich großer Temperatur segmentiert und die einzelnen Segmente entsprechend bewertet. 4 stellt hierzu ein einfaches Beispiel dar. Wie zuvor in 2 werden wieder der Einfachheit halber nur von neun Messorten 1–9 (die gleichen Messorte wie in 2) das thermische Abbild bewertet. Am Messort 1 befindet sich gerade eine Person 21, deren Temperatur üblicherweise bei 37 °C liegt. Dieser Messort 1 liegt mit seiner Temperatur oberhalb des Wertebereichs ΔT und wird daher nicht (oder nur ganz gering gewichtet) berücksichtigt.
Wenn der Bildsensor 10 eine höhere Auflösung aufweist, werden mehrere Messorte im Bereich der Person 21 mit dieser hohen Temperatur erfasst. In einem solchen Fall können all diese Messorte mit etwa gleichhoher Temperatur als ein Segment bewertet und anschließend anhand der äußeren Form als Person erkannt werden. Selbstverständlich gibt es noch weitere Möglichkeiten, ein Objekt oder insbesondere eine sich bewegende Person 21 zu erkennen, wie beispielsweise durch eine zeitliche Filterung von gegebenenfalls im Abbild nebeneinanderliegenden gleich großen Messwerten.
Objekten durch eben auch durch weitere Merkmale, z.B. zeitliche Filterung bei Bewegung von Objekt/Person 21 oder dem Anlernen von Detektoren für Klassifikationsalgorithmen etc. Bei einer Person 21 müssen die Temperaturen nicht überall gleich groß sein. Trotzdem kann eine solche Person 21 über verschiedene Merkmale, wie zeitliche Änderung des Aufenthaltsorts, äußere Form, Höhe der gemessenen Temperatur im Bereich von etwa 37°, parallele Bewegung aller Orte in diesem Temperaturbereich, etc., erkannt werden.
Mit Hilfe der ortsabhängigen Messwerte und deren jeweils zugeordnetem Messort 1–9 werden Gruppen von Messwerten gebildet. Aus der Form der Gruppe und/oder dem zeitlichen Verlauf und durch Vergleich mit bereits klassifizierten Referenzwerten oder -mustern werden Objekte 21, 22 erkannt, die beim Ermitteln der Raumtemperatur nicht berücksichtigt werden sollen.
Ebenso wird angenommen, dass am Messort 3 eine höhere Temperatur herrscht, da sich dort ein Heizkörper 22 befindet (zumindest, wenn der Heizkörper Wärme deutlich größer als Umgebungstemperatur abgibt). Bei höherer Auflösung wiederum, werden alle Messorte mit einer solch hohen Temperatur um den Messort 3 wiederum zu einem Segment zusammengefasst.
Die anderen Messorte 2 und 4 bis 9 liefern die tatsächlich an der Oberfläche herrschende Temperatur zurück, die alle innerhalb des Wertebereichs ΔT liegen. Somit werden die Temperaturen dieser Messorte voll bei der Ermittlung der Raumtemperatur berücksichtigt.
Durch entsprechende Bildauswertung und Vergleich beispielsweise mit voreingestellten Formen können diverse Objekte im Raum 20 erkannt werden, die jeweils im Wesentlichen auf gleicher Temperatur und deutlich unterschiedlich zur Umgebungstemperatur liegen. Diese Objekte oder auch Segmente können dann von der weiteren Analyse der Temperaturen (des thermischen Abbildes) ausgeschlossen werden oder entsprechend für die Regelung der Raumtemperatur berücksichtigt werden, insbesondere wenn es sich beispielsweise um einen Heizkörper handelt.
Die Objekte selber können wiederum klassifiziert werden. Somit können dann beispielsweise Personen 21 im Raum 20 oder Heizkörper 22 erkannt werden. Solche Objekte können dann sicher bei der Ermittlung der Raumtemperatur ausgeschlossen werden, da durch diese mehr oder weniger punktuellen Temperaturerhöhungen die zu ermittelnde Raumtemperatur verfälscht würde. Auf gleiche Weise könnten Fenster oder durch Sonneneinstrahlung erwärmte Stellen im Raum 20 oder ein eingeschalteter Herd erkannt werden. Dadurch wird eine wesentlich genauere Ermittlung der Raumtemperatur ermöglicht, die eine gewünschte Temperaturreglung im Raum 20 verbessert. Es können somit auch nur die relevanten Messorte zum Ermitteln der Raumtemperatur ausgewählt werden. Wenn der Raum 20 mit seinen unveränderlichen Objekten, wie Heizkörper 22, Fenster oder Tür 23 einmal dem Regelsystem und der Auswerteeinheit 13 bekannt ist, können diese Segmente oder Objekte von vorne herein bei zukünftigen Messungen unberücksichtigt oder nur gering bewertet berücksichtigt werden.
Wenn fortlaufend thermische Abbilder erfasst und die erfassten Abbilder des Raumes 20 zeitlich bewertet werden, so können auch bewegte Objekte oder Personen 21 oder nur vorübergehend eingeschaltete Wärmequellen erkannt werden und bei der Ermittlung der Raumtemperatur entsprechend ausgeblendet oder gegebenenfalls entsprechend gewichtet berücksichtigt werden. Es können dann auch Temperaturgradienten von Temperaturanstiegen erkannt werden und entsprechend berücksichtigt werden.
Auf die ausgewählten Messwerte, die für die Ermittlung der Raumtemperatur relevant sind, können mathematische Algorithmen, wie bereits zuvor erwähnt, angewendet werden, um die Raumtemperatur zu bestimmen. Es können auch vorbestimmte Messwerte höher oder niedriger gewichtet bewertet werden, um zu einer möglichst unverfälschten durchschnittlichen oder mittleren Raumtemperatur zu gelangen.
Mit der so ermittelten Raumtemperatur kann dann die Temperaturregelung im Raum 20 je nach gewünschten oder vorgewählten Temperaturwerten genau vorgenommen werden.
Bevor die Raumtemperatur ermittelt werden kann, findet eine Kalibrierung oder Initialisierung des Bildsensors 10 statt. Dabei werden zum einen den gemessenen Spannungswerten entsprechende Temperaturwerte zugeordnet. Zum anderen werden den Bildpunkten des thermischen Abbildes entsprechende Raumkoordinaten und damit Messorte 1–9 zugeordnet. Die örtliche Zuordnung kann über Raumkoordinaten, über die Entfernung oder Abstand des Messorts 1–9 zum Bildsensor 10 zusammen mit einem Raumwinkel vorab erfolgen. Nach der Kalibrierung kann jeder Bildpunkt mit dem dazugehörigen Messort und der dort gemessene Temperatur verknüpft werden.
Bei einer Kalibrierung können auch Bereiche oder Segmente, in denen sich typischerweise Personen oftmals aufhalten, manuell ausgewählt oder automatisch über Personenerkennung gelernt werden, um solche Bereich später entsprechend zu bewerten oder bei der Ermittlung der Raumtemperatur unberücksichtigt zu lassen.
Ein Bildsensor 10 ist eine Vorrichtung zur Aufnahme von zweidimensionalen, thermischen Abbildern aus Wärmestrahlung auf elektrischem Wege. In den meisten Fällen werden halbleiterbasierte Bildsensoren verwendet, die sowohl sichtbares als auch Infrarot-Licht detektieren können. Die empfangene optische Strahlung wird in den Sensorelementen 11 in elektrische Energie umgewandelt, vorzugsweise in einen entsprechenden Spannungswert. Es handelt sich dabei nicht nur um sichtbares Licht, sondern vorzugsweise um unsichtbares Infrarot-Licht oder möglicherweise auch ultraviolette Strahlung.
Die lichtempfängliche Fläche des thermischen Bildsensors 10 ist in einzelne Bereiche (Pixel entsprechend der Sensorelemente 11) unterteilt. Gegebenenfalls zusammen mit einem optischen Objektiv 12 und einer Sensorelektronik wird ein thermisches Abbild erzeugt, das von der Auswerteeinheit 13 analysiert wird.
Der Bildsensor 10 ist typischerweise im Infrarot-Wellenbereich und dort vorzugsweise im langwelligen Infrarot-Bereich sensitiv. Es kann ein flächiger Far-Infrarot-Bildsensor mit einem Array von Temperatur empfindlichen Sensorelementen 11 verwendet werden. Mit der Verwendung von Far-Sensor-Arrays als Bildsensor 10 wird der Ort der Temperaturmessung vom Verbauort des Bildsensors 10 weitgehend unabhängig. Ein solcher Bildsensor 10 kann dann auch in andere, ohnehin im Raum 20 vorhandene und mit Energie versorgte Funktionselemente integriert werden. Ein solcher Bildsensor 10 wird auch als Bolometer bezeichnet. Vorteilhaft ist es, wenn der Bildsensor 10 IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 8 bis 15 µm detektieren kann.
Die Anzahl der arrayförmig angeordneten Sensorelemente 11 sind ein Maß für die theoretisch erreichbare Bildauflösung. Von dem konkreten Anwendungsfall (Raum 20 und dessen Ausgestaltung oder Einrichtung) kann es abhängen, welche Auflösung und damit was für ein Bildsensor 10 mit welcher Auflösung zum Messen der Temperaturen im Raum 20 verwendet wird.
Unter einem Raum 20 ist ein zumindest teilweise geschlossener Raum zu verstehen, dessen Raumtemperatur geregelt werden soll. Die Form des Raumes ist dabei untergeordnet. Der Bildsensor 10 wird dabei so im Raum – an oder in der Nähe einer Wand, einer Decke oder eines Bodens – angeordnet, dass weitgehend vom gesamten Raum ein zweidimensionales, thermisches Abbild erhalten wird. Vorzugsweise wird der Bildsensor 10 so angeordnet, dass er von oben in den Raum 20 gerichtet ist. Somit werden Verdeckungen von Messorte durch Objekte, wie Personen 21 im Raum, minimiert.
Bezugszeichenliste

1–9: Messort
10: Bildsensor
11: Sensorelement
12: Objektiv
13: Auswerteeinheit
20: Raum
21: Person
22: Heizkörper
23: Tür
T₁, T₂: Schwellenwert
ΔT: vorgegebener Wertebereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009029943 B4 [0003]
DE 19921518 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Ermitteln einer Raumtemperatur mit – einem flächig ausgebildeten, optoelektronischen Bildsensor (10), der mehrere matrix-förmig angeordnete Sensorelemente (11) aufweist, wobei die Sensorelemente (11) thermische Lichtstrahlung eines zu vermessenden Raumes (20) erfassen und in jeweils einen entsprechenden Messwert umwandeln, sowie jedem Sensorelement (11) und damit jedem Messwert ein Messort (1–9) des Raumes (20) zugeordnet ist, und mit – einer Auswerteeinheit (13), die mit den Sensorelementen (11) verbunden ist und die die Messwerte der Sensorelemente (11) auswertet, daraus mit Hilfe eines vorgegebenen mathematischen Algorithmus und unter Berücksichtigung der mit den Messwerten verknüpften Messorte (1–9) die Raumtemperatur ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Objektiv (12) vor dem Bildsensor (10) angeordnet ist, das die Lichtstrahlung aus dem gesamten zu vermessenden Raum (20) auf die Sensorelemente (11) abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (11) empfindlich für Lichtstrahlung im langwelligen Infrarot-Bereich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (11) empfindlich für Lichtstrahlung im IR-Wellenlängenbereich von 8 bis 15 µm sind.
Verfahren zum Ermitteln einer Raumtemperatur, bei dem – mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 mehrere Messwerte ortsabhängig in einem Raum (20) gemessen werden, – die Messwerte entsprechend jeweils einem Temperaturwert mit zumindest einem Schwellenwert (T₁) verglichen werden und nur die Messwerte, die den Schwellenwert (T₁) über- oder unterschreiten mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus und unter Berücksichtigung der mit den Messwerten verknüpften Messorte zum Ermitteln einer Raumtemperatur verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte mit einem oberen Schwellenwert (T₁) und einem unteren Schwellenwert (T₁) verglichen werden und nur die Messwerte, die zwischen den beiden Schwellenwerten (T₁, T₂) liegen zum Ermitteln der Raumtemperatur verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte, die den Schwellenwert (T₁ oder T₂) über- bzw. unterschreiten, mit einem Korrekturfaktor gewichtet zum Ermitteln der Raumtemperatur verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der ortsabhängigen Messwerte und deren jeweils zugeordnetem Messort (1–9) Gruppen von Messwerten gebildet werden, wobei die Messwerte innerhalb eine Gruppe weitgehend gleich groß sind, um abhängig von einer aus einer Gruppe ermittelten Temperatur Objekte (21, 22) zu erkennen, die beim Ermitteln der Raumtemperatur nicht berücksichtigt werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der ortsabhängigen Messwerte und deren jeweils zugeordnetem Messort (1–9) Gruppen von Messwerten gebildet werden, wobei aus Form der Gruppe und/oder zeitlichem Verlauf durch Vergleich mit Referenzwerten oder -mustern Objekte (21, 22) erkannt werden, die beim Ermitteln der Raumtemperatur nicht berücksichtigt werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sensorelement (11) während einer Initialisierungsphase mit einem Messort (1–9) des Raumes (20) verknüpft wird, so dass jedem Messwert des Sensorelements ein Messort (1–9) zugeordnet ist.