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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Kalibrieren, insbesondere zum radiometrischen und geometrischen
Kalibrieren von Messgeräten
zur quantitativen Infrarot-Strahlungsmessung, eine Einrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens sowie ein Verfahren zum Auswerten von mittels der
Einrichtung erhaltenen Daten.
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Messgeräte für quantitative Messungen müssen grundsätzlich kalibriert
werden, da erst durch eine Kalibrierung ein Zusammenhang zwischen
Ein- und Ausgangsgröße des Messgeräts, also
zwischen Messgröße und Messwert,
hergestellt werden kann. Hierbei können auch von der Messgröße abgeleitete
Größen zum
Messwert in Beziehung gesetzt werden. Für die Kalibrierung wird ein
Messgerät
mit quantitativ bekannten Eingangsgrößen beaufschlagt und in Abhängigkeit
davon wird die Ausgangsgröße aufgezeichnet.
Für eventuell
von einer Eingangsgröße abgeleitete
Größen muss
zu dieser eine feste, bekannte Beziehung herrschen. Die Eingangsgrößen werden
mit sogenannten Standards oder Normalen erzeugt.
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Nachfolgend werden insbesondere Infrarotmessgeräte, wie
Radiometer oder Spektrometer behandelt, (wobei hier als Radiometer
auch Pyrometer und andere Infrarotmessgeräte zur berührungslosen Temperaturmessung
bezeichnet werden), die zur quantitativen Messung emittierter Strahlung
und daraus abgeleiteter Größen, wie
Temperatur, Emissionsgrad, Reflexionsgrad und Transmissionsgrad
fester oder flüssiger
Materialien/Oberflächen,
sowie Konzentration, Temperatur und Druck von Gasen, usw. verwendet
werden.
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Solche Geräte werden häufig in rauer Umgebung in der
Umwelt- und Prozessmesstechnik
eingesetzt. Dabei sind in der Regel wiederholte Kalibrierungen notwendig,
da durch Witterungseinflüsse,
wie Aufheizung durch Sonneneinstrahlung bzw. Abkühlung durch Wind, ein unter
Laborbedingungen stabiles Gerät
im Feldeinsatz Driften beispielsweise der Empfindlichkeit aufweisen
kann. Insbesondere der Messbereich im Bereich von Wellenlängen um
10μm ist
kritisch, da hier das Maximum der Strahlungsemission für die natürliche Umgebungstemperatur
liegt und daher Schwankungen der mitgemessenen Strahlung des Inneren
des Messgerätgehäuses großen Einfluss
haben können.
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Als Normale zur Kalibrierung von
Strahlungsmessgeräten
im infraroten Spektralbereich, wie Radiometern und Spektrometern,
werden Strahlungsquellen verwendet, deren Konstruktion und Betriebsweise
diesen weitgehend die Eigenschaft von Schwarzen Körpern verleihen
soll. Der von solchen Geräten
emittierte Strahlungsfluss wird dann durch das Plancksche Strahlungsgesetz
beschrieben, d.h. der Emissionsgrad der Quellen wird ε = 1; die
Temperatur wird als uniform über
die gesamte für
die Kalibrierung relevante Fläche
der Quelle angenommen.
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Da die zum Aufbau der Strahler verwendeten Materialien
tatsächlich
strahlungsundurchlässig
sind, also ein Transmissionsgrad τ =
0 realisiert ist, muss durch geeignete Gestaltung/Beschichtung der
strahlenden Oberfläche
ein Reflexionsgrad ρ =
0 geschaffen werden. Dann ist der für die Kalibrierung geforderte
Zusammenhang zwischen Messgröße und Messwert über das
Plancksche Strahlungsgesetz nur durch die Temperatur des Kalibrierstrahlers
und damit eindeutig bestimmt und nur noch von der Genauigkeit der
Kenntnis dieser Temperatur abhängig.
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Die weiteren technischen Eigenschaften
von Kalibrierstrahlern sind vorgegeben durch die Forderung nach
quantitativer Vorhersagbarkeit und Reproduzierbarkeit der emittierten
Strahlung, also auch nach hoher Kurz- und Langzeitstabilität. Ferner
dürfen
ihre Fehlergrenzen nicht die Fehlergrenzen der Kalibrierung und
damit der Messergebnisse dominieren und müssen daher enger sein als die
des zu kalibrierenden Messgeräts.
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Bezogen auf den im Idealfall einzig
wirksamen Parameter, die Temperatur des Strahlers, ist dies eine
extreme Forderung angesichts von Radiometern mit einer Temperaturauflösung von
0,01K. Das bedeutet, dass die Abweichung der Oberflächentemperatur
des Standards von der Uniformität weniger
als 0,01K betragen darf.
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In derselben Größenordnung sollte auch die Unsicherheit
bei der Kenntnis dieser Temperatur liegen. Bei diesen hohen Anforderungen
an die Genauigkeit der Temperatur werden Strahler verwendet, die mit
flüssigen
Metallen beheizt werden, welche am exakt bekannten Erstarrungspunkt
betrieben werden. Sollen verschiedene Temperaturen eingestellt werden,
müssen
unterschiedliche Metalle verwendet werden. Derartige Systeme sind
sehr aufwendig und nur im Labor zu betreiben. Für Kalibrierungen im Feld sind
sie ungeeignet; daher sind feldtaugliche Normale erforderlich.
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Es werden drei Klassen von Standards
mit folgender Spezifizierung unterschieden:
- – Primärstandard
(überprüft mit PTB
Standard): Strahler nach dem Verfahren des Erstarrungspunktes, mit:
Emissionsgrad ε =
0,999, Uniformität der
Temperatur 0,01K.
- – Sekundärstandard:
sphärische
oder doppelkonische Hohlraumstrahler mit Emissionsgrad ε = 0,999;
Uniformität
der Temperatur 0,05K.
- – Arbeitsstandard:
zylindrische oder konische Hohlraumstrahler, strukturierte Flächen, mit
Emissionsgrad ε > 0,99; Uniformität der Temperatur 1,0K.
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Vorstehende Auflistung zeigt, dass
hinsichtlich der Temperaturuniformität weder Sekundär- und noch
weniger Arbeitsstandards den technischen Leistungen moderner Infrarotmessgeräte gerecht werden – nicht
einmal im Laborbetrieb. Dies ist ein gravierender Nachteil. Speziell
durchgeführte
Untersuchungen haben gezeigt, dass kommerziell erhältliche
Kalibrierstandards unter Umständen
nicht einmal die für
Arbeitsstandards geforderte Temperaturuniformität erfüllen.
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Bekannte Kalibrierstrahler verfügen über keine
Einrichtung zur Überprüfung der
Temperaturuniformität
ihrer strahlenden Oberfläche,
was im Feldeinsatz unter dem Einfluss von Wind und Sonnenschein
als besonders nachteilig angesehen wird. Bei allen bekannten Kalibrierverfahren
wird ε =
1 gesetzt und die Temperatur als uniform angenommen, was nicht korrekt
ist und zu Fehlern führt.
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In aller Regel wird die Temperatur
an nur einer Stelle des Kalibrierstrahlers mittels eines Fühlers gemessen.
Die dadurch gegebene Unsicherheit der Temperaturbestimmung bezüglich der
gesamten strahlenden Fläche
wird als zusätzlicher
Nachteil angesehen. Weiterhin ist dabei nachteilig, dass die Fühlermessung
an einer Stelle im Inneren der Kalibrierquelle vorgenommen wird
und nicht an der strahlungswirksamen Oberfläche, wodurch ein Fehler durch
den Temperaturgradienten zwischen dem Inneren und der Oberfläche entsteht.
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Die bei Flächenstrahlern übliche Oberflächenbeschichtung
verstärkt
den Temperaturgradienten, insbesondere wenn sie dick ist. Ist die
Schichtdicke inhomogen, kommt es dadurch zu weiteren Nichtuniformitäten der
Temperaturverteilung auf der Oberfläche. Strukturierte Oberflächen weisen
zusätzliche
Temperaturgradienten auf. Bei v-förmigen Furchen sind die „Täler" wärmer als
die „Gipfel".
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Die Unsicherheiten bei der Temperaturbestimmung
und der Annahme der Temperaturuniformität sind besonders groß bei Standards
mit ausgedehnter Fläche,
wie sie zur Kalibrierung von Strahlungsmessgeräten großer Apertur, beispielsweise
bei Messgeräten
mit Teleskopen, verwendet werden. Strahlerflächen von 30 cm Durchmesser
und mehr sind im Gebrauch. Je größer die
Fläche,
desto höher wird
der Aufwand zur Erzielung der Temperaturuniformität und ihrer
Erhaltung im Feld. Dabei treten auch Temperaturgradienten vom Rande
zum Zentrum der Strahlerfläche
auf. Sehr häufig
werden die Strahler mit ihrer Fläche
senkrecht zur Erdoberfläche betrieben.
Dann entsteht ein weiterer Temperaturgradient durch die Konvektion
der Luft an der Strahleroberfläche.
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Der erforderliche Aufwand zur Uniformierung der
Temperatur der Fläche
wird als weiterer Nachteil der gegenwärtigen Kalibriersysteme und
-verfahren angesehen. Ebenso wie die zu kalibrierenden Infrarotmessgeräte unterliegen
Kalibrierstrahler im Feld den Wettereinflüssen. Eigentliches Ziel der Feldkalibrierung
ist die Korrektur dieser Einflüsse
auf das Messgerät.
Da Sonne und Wind aber auch die Oberflächentemperatur des Kalibrierstrahlers
verändern können, ist
die Feldkalibrierung ohne exakte Kenntnis der Wirkung dieser Einflüsse auf
den Kalibrierstrahler zweifelhaft, was ein weiterer Nachteil ist.
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In
DE 197 19 210 A1 ist ein Kalibrierungsverfahren
beschrieben, bei welchem mindestens drei gemeinsame Spektren von
Schwarzen Strahlern verwendet werden, die auf unterschiedlichen
konstanten Temperaturen gehalten sind. Die Gerätefunktionen, d.h. die spektrale
Empfindlichkeit eines Spektrometers und die spektrale Eigenstrahlung
des Geräts, werden
nicht als unabhängige
Veränderliche,
sondern als Funktionen der zu bestimmenden Strahlungstemperaturen
der Schwarzen Strahler aufgefasst. Zum Berechnen der gesuchten Temperaturen wird
eine nichtlineare und iterative Gauß'sche Ausgleichsrechnung verwendet, wobei
die Gerätefunktionen
mit Hilfe einer den Iterationen unterlagerten linearen Ausgleichsrechnung
ermittelt werden. Dieses Kalibrierungsverfahren wird zur Kalibrierung
von Spektralradiometern, insbesondere von Fourier-Spektrometern
für Messungen
im Infrarot-Bereich
eingesetzt.
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Zusammenfassend ist festzustellen,
dass die radiometrische Kalibrierung von Infrarotmessgeräten insbesondere
im Feld, aber auch im Labor hinsichtlich der angewendeten Verfahren
und Systeme mit großen
Unsicherheiten behaftet ist.
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Darüber hinaus ist nachteilig,
dass bei der Messung mit Radiometern und Spektrometern in der Regel
deren Empfindlichkeit als Funktion des Gesichtsfelds als konstant
angenommen wird, obwohl sie es nicht ist, sondern meist den Verlauf
einer Glockenkurve hat. Es werden hierzu zwei Fälle der Anwendung des Radiometers/Spektrometers
angeführt, nämlich
- a) die Messung einer radiometrisch homogenen Fläche und
- b) die Messung einer radiometrisch inhomogenen Szene.
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Der Fall a) ist typisch für Anwendungen
im Labor, der Fall b) ist typisch für Anwendungen der Fernerkundung/Erdbeobachtung,
wo vom Flugzeug oder aus dem Weltraum große (naturgemäß thermisch
inhomogene) Bodensegmente beobachtet werden.
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Die in beiden Fällen übliche Strahldichtekalibrierung
erfordert die oben beschriebene homogene Kalibrierquelle, die hier
als gegeben vorausgesetzt werden soll. Dann ist für Messungen
des Falles a) die Empfindlichkeit als Funktion des Gesichtsfelds
unerheblich. Im Fall b) aber ist es für die Messgenauigkeit entscheidend
zu wissen, wie die Strahldich teverteilung der beobachteten Szene
im Bezug auf das Gesichtsfeld ist. Die Bereiche der Szene im Zentrum
des Gesichtsfelds werden mit höherer
Empfindlichkeit bewertet als die am Rande. Sie tragen also stärker zum
Signal bei, wenn eine homogene Empfindlichkeit als Funktion des
Gesichtsfeldes angenommen wird. Insbesondere bei radiometrisch stark
inhomogenen Szenen, beispielsweise wenn ein Teil der Szene ein großes Feuer
(Waldbrand) oder vulkanische Lava enthält, können dadurch große Messfehler
verursacht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei
Verfahren und Einrichtung zum Kalibrieren von Messgeräten eine
höhere
Zuverlässigkeit
und Genauigkeit und dadurch eine Reduzierung der Unsicherheit bei
quantitativen, radiometrischen/spektralradiometrischen Messungen,
wie Infrarot-Strahlungsmessungen zu erreichen.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand von auf das Verfahren nach Anspruch
1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen
Ansprüchen.
Ferner sind Einrichtungen zum Durchführen des Verfahrens sowie ein
Verfahren zum Auswerten der mittels der Einrichtung erhaltenen Daten
angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung auch
anhand der anliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Einrichtung zur Kalibrierung von Strahlungsmessgeräten, und
zwar zur Bestimmung der relativen radiometrischen Empfindlichkeit
als Funktion des Gesichtsfelds, also der geometrischen Kalibrie rung;
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2 einen
Kalibrierstrahler mit großer Apertur;
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3 ein
temperaturskaliertes Infrarotstrahlungsbild eines Doppelhohlraum-Strahlers;
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4 ein
Histogramm einer Temperaturverteilung;
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5 die
Temperaturverteilung entlang einer horizontalen und einer vertikalen
Zeile des Infrarotstrahlungsbildes, und
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6 die
Einrichtung zur Kalibrierung von Strahlungsmessgeräten nach 1, und zwar zur radiometrischen
Kalibrierung.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung als zentrales Element einen punktförmigen Infrarotstrahler 10 hoher
Strahlungsleistung, der als Globar in einem Gehäuse mit kleiner Öffnung als
strahlender Apertur ausgebildet sein kann und im folgenden auch als
Punktstrahler 10 bzw. Punktstrahlungsquelle 10 bezeichnet
wird.
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Der Punktstrahler 10 ist
an einer Positioniereinrichtung 11 montiert, die zum Verfahren
des Punktstrahlers 10 in vertikaler y-Richtung bzw. in
horizontaler x-Richtung eine Verfahreinheit 11y bzw. eine
Verfahreinheit 11x aufweist. Hierzu sind die beiden Verfahreinheiten 11x, 11y jeweils
z.B. mit ferngesteuerten Schrittmotoren 12 und entsprechender
Antriebsmechanik ausgerüstet.
Der Punktstrahler 10 kann motorisch und ferngesteuert an
jede gewünschte
Stelle in einer xy-Ebene verfahren und dort positioniert werden.
Die Längen
der beiden Verfahreinheiten 11x und 11y und damit
die Längen
der Verfahrwege sind so gewählt,
dass in der nachfolgend beschriebenen Kalibrierung die Punktstrahlungsquelle 10 jeweils
bis an den Rand des Gesichtsfeldwinkels des zu kalibrierenden Geräts verfahren
werden kann. Das Zentrum der xy-Ebene
ist der Ort, an dem sich der Punktstrahler 10 befindet,
wenn er jeweils in der Mitte der in x- bzw. y-Richtung verlaufenden
Verfahrwege steht.
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1 zeigt
ferner auf einer schematisch dargestellten optischen Bank 15 schematisch
zwei Infrarotstrahlungsmessgeräte,
nämlich
z.B. ein zu kalibrierendes Radio/Spektrometer 13 und ein
Wärmebildgerät 14,
und die jeweiligen Aufnahmevorrichtungen für die beiden Geräte, die
eine optische Justierung durch Drehung in zwei Achsen (Azimut und
Elevation), eine Höhenverstellung
sowie eine Fixierung der Geräte
jeweils in Bezug auf die Punktstrahlungsquelle 10 ermöglichen.
Diese Justierung kann mittels vereinfacht dargestellter mechanischer
Einstellvorrichtungen in den zwei angegebenen Achsen erfolgen, die
entweder von Hand mittels feiner nicht näher dargestellter Einstellschrauben
oder aber auch beispielsweise über
ferngesteuerte Schrittschaltmotore 12 verstellt werden
können.
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Entsprechendes gilt auch für die Einstellung der
Montagehöhe
der Geräte 13, 14.
Hierbei erfolgt die Einstellung so, dass deren optische Achsen bei horizontaler
Orientierung in Höhe
der Mitte des in y-Richtung verlaufenden Verschiebewegs liegen.
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Ferner weist in 1 die Positioniereinrichtung 11 noch eine
weitere Verfahreinheit 11z zum Verfahren der beiden Verfahreinheiten 11x und 11y und
damit des Punktstrahlers 10 in horizontaler z-Richtung
auf. Hierdurch ist ein Verfahren der Punktstrahlungsquelle 10 entlang
der optischen Achsen der Geräte 13, 14 ermöglicht,
also die Einstellung des Abstands zwischen den Geräten 13, 14 und
der Punktstrahlungsquelle 10. Die in z-Richtung verlaufende
Achse ist somit senkrecht zur xy-Ebene und geht durch deren Zentrum.
Der geometrische Ort der Montage für das zu kalibrierende Radiometer/Spektrometer 13 ist
so eingerichtet, dass die optische Achse des Geräts 13 in die yz-Ebene
gelegt werden kann.
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Zur Durchführung einer geometrischen Kalibrierung
werden die Temperatur und damit der Strahlungsfluss der Punktstrahlungsquelle 10 mittels
einer Regelung konstant gehalten. Die Punktstrahlungsquelle 10 wird
in der Mitte der beiden Verschiebeachsen x und y positioniert, also
in der Mitte der xy-Ebene. Der Abstand zwischen den Geräten 13, 14 und der
Punktstrahlungsquelle 10 sowie die optische Fokussierung
der Geräte 13, 14 werden
so gewählt, dass
die Punktstrahlungsquelle 10 scharf abgebildet wird. Der
Abstand wird durch eine Verschiebung der Verfahreinheit 11z eingestellt.
Mittels der Höheneinstellung
sind die Geräte 13, 14 so
eingestellt, dass das Zentrum ihrer Empfangsapertur in Höhe der Mitte der
xy-Ebene liegt.
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Mittels der Zwei-Achsen-Justiervorrichtung wird
das Wärmebildgerät 14 so
ausgerichtet, dass das Bild der Punktstrahlungsquelle 10 im
Zentrum des Gesichtfeldwinkels (im Zentrum des Bildes) liegt. Entsprechend
erfolgt die Ausrichtung des Radiometers oder Spektrometers 13 zur
Punktstrahlungsquelle 10, so dass das Gerät das maximale
Signal anzeigt. Die Punktstrahlungsquelle 10 liegt dann
im Gesichtsfeldbereich maximaler Empfindlichkeit, der sich in aller
Regel auch in (oder nahe) dem geometrischen Zentrum des Gesichtfeldwinkels
befindet.
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Von einem Rechner zur Steuerung und
Datenerfassung/-verarbeitung wird dann ferngesteuert und schrittweise
die Punktstrahlungsquelle 10 mittels der Verfahreinheit 11x bzw.
der Verfahreinheit 11y an jede gewünschte Position im Gesichtsfeld
der Geräte 13, 14 verfahren.
Die jeweiligen Messsignale werden erfasst und in digitaler Form
im Rechner gespeichert. Die Schrittweite des Verfahrens der Punktstrahlungsquelle 10 ist
per Programm-Menue an einer Bedieneinheit des Rechners wählbar, beispielsweise
in Einheiten des Blendendurchmessers der Punktstrahlungsquelle 10.
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Auf diese Weise werden Werte der
relativen Empfindlichkeit als Funktion des Gesichtfeldwinkels der
Geräte 13, 14 gewonnen
(und im Rechner gespeichert), was als geometrische Kalibrierung
bezeichnet wird. Die relative Empfindlichkeit kann beispielsweise
auf die maximale Empfindlichkeit bezogen werden, die beispielsweise
zu Hundert gesetzt wird. Alle anderen Werte sind dann kleiner als
Hundert und geben direkt in Prozent an, wie viel der maximalen Empfindlichkeit
jeweils vorliegt.
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Aus den gemessenen Daten werden für die Geräte (Wärmebildgerät 14 und
Radiometer/Spektrometer 13) die jeweiligen geometrischen
Zentren der Gesichtsfelder ermittelt und im Rechner gespeichert.
Dies ist bei rechteckigen Gesichtsfeldern der Schnittpunkt der Diagonalen,
bei kreisförmigen
der Mittelpunkt des Kreises. Durch die beschriebene Messung und Speicherung
der Messdaten besteht eine eindeutige Zuordnung zwischen den Gesichtsfeldern
der Messgeräte.
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In
2 ist
ein im wesentlichen aus
DE
195 31 536 C2 bekannter Kalibrierstrahler
1, der
als Doppelhohlraum ausgebildet ist, mit einem Gehäuse
2 und
einer großen
Apertur dargestellt. Ein Feld von kleinen Hohlräumen wird durch eine Wabenstruktur
3 aus
Metall gebildet, die auf einer elektrisch beheizten Platte
4 mit
einem Durchmesser von 30cm aufgebracht ist. Die Waben
3 und
die Platte
4 sind hochemittierend beschichtet.
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Die Anordnung befindet sich in einem
großen Hohlraum 5,
der im wesentlichen durch einen großen sphärischen Spiegel 6 gebildet
und begrenzt wird, der für
den Strahlungsaustritt eine kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser
von 16cm aufweist. Der Spiegel 6 ist nicht beheizt, jedoch
thermisch gegenüber
dem Gehäuse 2 des
Kalibrierstrahlers 1 isoliert. Strahlung, die nicht direkt
in Richtung Öffnung emittiert
wird, trifft auf den sphärischen
Spiegel 6 und wird wieder zum Hohlraumfeld reflektiert.
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Wie 3 bis 5 zeigen, ist selbst bei
einem so aufwendigen Strahler 1, wie dem in 2 dargestellten, die Temperatur
der Oberfläche
nicht uniform, sondern nimmt im gezeigten Beispiel innerhalb der Aperturfläche Werte
zwischen 116°C
und 122°C
an; die Nichtuniformität
liegt also in einem Temperaturbereich von 6°C.
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Ähnliche
Verhältnisse
liegen grundsätzlich auch
bei anderen Ausführungsformen
von Flächenstrahlern
vor. Die Temperaturgradienten sind meist noch stärker ausgeprägt. Bei
kleinen Hohlraumstrahlern ist eine geringere Abweichung von der
Uniformität
zu erwarten, ganz verschwinden wird sie aber nicht.
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Im Hinblick auf die vorstehend geschilderten Gegebenheiten
liegt daher nicht ein bezüglich
der Temperaturuniformität
idealer Kalibrierstrahler vor. Vielmehr soll gemäß der Erfindung eine nicht
uniforme Temperaturverteilung eines realen Kalibrierstrahlers erfasst
und bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.
Hierzu wird die Temperaturverteilung der Strahleroberfläche mittels
eines Wärmebildgeräts gemessen
und in das Kalibrierverfahren eingebracht.
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Eine Wärmebildmessung wird ihrerseits über Temperaturfühler am
Kalibierstrahler kalibriert. Alternativ hierzu kann auch das Verfahren
der inhärenten Temperaturbestimmung
mittels Kalibrierung bei drei oder mehr Temperaturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
kombiniert werden. Mittels optomechanischer Justiervorrichtungen
werden die bei der Kalibrierung wirksamen Bereiche des Kalibrierstrahlers
eindeutig identifiziert.
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Zum Kalibrieren eines Infrarotmessgeräts wird
ein in 6 dargestellter
Aufbau verwendet, der gegenüber 1 leicht modifiziert ist.
Der radiometrischen Kalibrierung geht die vorstehend beschriebene,
geometrische Kalibrierung voraus. Im Anschluss daran wird die Punktstrahlungsquelle 10 wieder
ins Zentrum der xy-Ebene positioniert. Das zu kalibrierende Radiometer/Spektrometer 13 verbleibt
in der Position, die für
die geometrische Kalibrierung eingestellt wurde.
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Es befinden sich dann die Punktstrahlungsquelle 10 und
der Gesichtsfeldbereich maximaler Empfindlichkeit in der yz-Ebe ne
und auf einer Parallelen zur z-Achse. Diese Parallele fällt mit
der optischen Achse des Radiometers/Spektrometers 13 zusammen.
Das Wärmebildgerät 14 wird
auch so ausgerichtet, dass die Punktstrahlungsquelle 10 sich
im Zentrum dessen Gesichtsfeldes befindet.
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Die Punktstrahlerquelle 10 wird
dann ersetzt durch eine Einrichtung mit einem oder mehreren Kalibrierstrahlern 1 ausgedehnter
strahlender Fläche (Flächenstrahlern),
wie in 6 dargestellt.
Der/die Kalibrierstrahler 1 ist/sind so montiert bzw. verschiebbar
angeordnet, dass er/sie jeweils in die bisherige Position der Punktstrahlungsquelle
gebracht werden kann/können.
Dabei befindet sich das Zentrum der Flächenstrahler 1 an
der Position der Punktstrahlerquelle 10, also die optische
Achse des zu kalibrierenden Messgeräts 13 geht durch das
Zentrum des Flächenstrahlers 1.
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Werden mehrere Flächenstrahler 1 verwendet,
wie in 6 dargestellt,
so kann jeder von ihnen wahlweise mittels der Verfahreinheit 11x an
die bisherige Position der Punktstrahlungsquelle 10 gefahren
und dort fixiert werden. Mittels der Verfahreinheit 11z wird
dann der Abstand zwischen dem zu kalibrierenden Messgerät 13 und
dem Flächenstrahler 1 so geändert und
in die Kalibrierdistanz gebracht, dass die strahlende Fläche das
Gesichtsfeld des Geräts vollständig überdeckt.
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Das Gesichtsfeld des Wärmebildgeräts 14 ist größer als
das des zu kalibrierenden Messgeräts 13 und wird in
dieser Kalibrierdistanz vom Flächenstrahler 1 nicht
ganz ausgefüllt.
Da zwischen dem Verfahrweg in z-Richtung und der optischen Achse
des Wärmebildgeräts 14 eine
Parallaxe besteht, wird mittels der Zwei-Achsen-Justiereinrichtung
das Wärmebildgerät 14 wieder
so justiert, dass seine optische Achse durch das Zentrum des Flächenstrahlers 1 geht.
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Hierbei wird unter optischer Achse
der Mittelstrahl des Winkels eines räumlichen Gesichtsfelds verstanden.
Ist/Sind das/die Gesichtfeld/er nicht kreisförmig, sondern beispielsweise
quadratisch oder rechteckig, was bei Wärmebildgeräten häufig der Fall ist, dann steht
die optische Achse senkrecht auf dem Schnittpunkt der Diagonalen
in der Bildfeldebene.
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Der gesamte Gesichtsfeldwinkel des
Wärmebildgeräts 14 ist
also etwas größer als
der des zu kalibrierenden Geräts 13.
Somit ist der vom Wärmebildgerät 14 erfasste
Bereich des Strahlers 1 etwas größer und konzentrisch zu dem
vom Wärmebildgerät 14 erfassten
Bereich. Die Größe beider
Gesichtsfelder und der beiden erfassten Strahlerbereiche wurden
gemessen und sind daher genau bekannt. Der relative Verlauf der
radiometrischen Empfindlichkeit in bezug auf das Gesichtsfeld des
zu kalibrierenden Messgeräts 13 wurde
gemessen und ist im Rechner des Kalibriersystems gespeichert. Dies
gilt insbesondere für
die Randbereiche des Gesichtsfeldes mit abnehmender Empfindlichkeit.
Die Grenze am Gesichtsfeldrand kann der Anwender nach seinen Vorgaben
setzen, beispielsweise bei 1% oder 0,5%, o.ä. von der maximalen Empfindlichkeit.
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Die relative spektrale Empfindlichkeit
des Wärmebildgeräts 14 wurde
zuvor in bekannter Weise bestimmt und im Rechner des Kalibriersystems
gespeichert. Die Ausdehnung der gesamten Strahlerfläche ist
deutlich größer als
der mittels des zu kalibrierenden Geräts erfasste Bereich. Beispielsweise ist der
Durchmesser der Strahlerfläche
in alle Richtungen doppelt so groß wie der vom Wärmebildgerät erfasste
Bereich. Dadurch und durch die konzentrische Messanordnung wird
der Bereich großer
Temperaturgradienten am Rande des Strahlers von der Messung ausgeschlossen.
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Insbesondere wegen der Parallaxe
sollten die optischen Achsen von Wärmebildgerät 14 und zu kalibrierendem
Gerät 13 einen
möglichst
kleinen Winkel einschließen,
was durch eine Montage der beiden Geräte möglichst nahe beieinander erreicht ist.
Der abbildungsoptische Einfluss der Parallaxe wird rechnerisch berücksichtigt.
Bei diesem Aufbau ist besonders vorteilhaft, dass die Messungen
mittels des Wärmebildgeräts 14 und
des zu kalibrierenden Geräts 13 gleichzeitig
erfolgen können.
Dadurch sind eventuelle Fehler durch zeitliche Schwankung der Oberflächentemperaturen
des Kalibrierstrahlers 1 vermieden, die bei zeitlich nacheinander
erfolgenden Messungen auftreten könnten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist
der Kalibrierstrahler 1 im Zentrum seiner strahlenden Fläche, d.h.
an der Auftreffstelle der optischen Achse von Wärmebildgerät 14 bzw. zu kalibrierenden Gerät 13 auf
die strahlende Fläche,
und an einer Anzahl n weiterer gleichmäßig über die strahlende Fläche verteilter
Stellen, die alle im Gesichtsfeld der beiden Geräte liegen, unmittelbar unter
der Oberfläche eingebaute
Temperaturfühler
auf. Die Zahl n ist nicht kleiner als 4 und so gewählt, dass
der Abstand zwischen den Temperaturfühlern etwa 3cm beträgt.
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Hierbei ist die Lage jedes einzelnen
Temperaturfühlers
bezüglich
des Zentrums des Kalibrierstrahlers (optische Achse) genau festgelegt.
Aus der Lage der Temperaturfühler
in der Gegenstandsebene der Anordnung ergibt sich durch geometrische
Zuordnung deren äquivalente
Lage in der Bildebene des Wärmebildgeräts 14 und
somit in Infrarot-Strahlungsbildern. Die Koordinaten der äquivalenten
Lage jedes Temperaturfühlers
im mittels des Wärmebildgeräts 14 erhaltenen
Wärmebild
sind im Rechner der Anordnung gespeichert.
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Der/die Kalibrierstrahler 1 sind
auf die zur Kalibrierung erforderliche/n Temperatur/en eingestellt.
Vom Wärmebildgerät 14 wird
ein Infrarotstrahlungsbild der Oberfläche des Kalibrierstrahlers 1,
wie beispielsweise in 3 dargestellt
ist, jedoch nicht temperaturskaliert, aufgenommen. Die Temperaturen der
eingebauten Fühler
werden zeitgleich mit der Bildaufnahme registriert.
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Das Wärmebildgerät 14 wird dann für die Aufnahme
so eingestellt (fokussiert), dass die Oberfläche scharf abgebildet wird.
Unmittelbar danach wird eine Kalibriermessung mit dem zu kalibrierenden
Gerät 13 vorgenommen.
Die Temperaturen der eingebauten Fühler werden zeitgleich mit
der Kalibriermessung registriert. Alternativ erfolgen alle Aufnahmen
und Messungen gleichzeitig. Die Daten aller Messungen werden im
Rechner gespeichert.
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Die Auswertung erfolgt programmgesteuert im
Rechner des Systems, wobei dem Benutzer die Ergebnisse aller Verarbeitungsschritte
auf Wunsch angezeigt werden können.
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Beim ersten Schritt der Auswertung
wird durch Vergleich der Datensätze
der mittels der Temperaturfühler
beim Kalibrierstrahler 1 gemessenen Temperaturen zu den
Zeitpunkten der Wärmebildaufnahme
und der Kalibriermessung sichergestellt, dass die Strahlertemperaturen
nicht über
ein zulässiges Maß (Schwellenwert)
voneinander abweichen. Hierbei kann der Schwellenwert vom Benutzer
vorgegeben werden. Bei Überschreiten
des Schwellenwerts erfolgt in jedem Falle eine Anzeige.
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Beim zweiten Schritt wird das Infrarotstrahlungsbild
exakt auf die Größe des vom
zu kalibrierenden Messgerät
erfassten Flächenbereichs
eingeschränkt,
und zwar bis zur vorgegebenen Grenze dessen Empfindlichkeit, beispielsweise
1% von der maximalen Empfindlichkeit.
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Beim dritten Schritt wird für die Bildpunkte, für welche
Temperaturmesswerte der Fühlermessungen
vorliegen, unter Anwendung des Planckschen Strahlungsgesetzes und
unter Verwendung der relativen spektralen Empfindlichkeit des Wärmebildgeräts die Strahldichte
LMn des Kalibrierstrahlers berechnet.
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Beim vierten Schritt wird, basierend
auf den beim dritten Schritt berechneten Werten der Strahldichte
LMn, für
jeden Bildpunkt i die Strahldichte Li durch
lineare Interpolation (bezogen auf die Werte LMn)
aus dem Infrarotstrahlungsbild berechnet.
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Beim fünften Schritt werden unter
Anwendung des Planckschen Strahlungsgesetzes und unter Einbeziehung
der relativen spektralen Empfindlichkeit des Wärmebildgeräts 14 aus den Strahldichtewerten
Li die Temperaturen in den Bildpunkten,
d.h. die Temperaturen der Strahleroberfläche berechnet. Dadurch entsteht
ein äquivalentes
Temperaturwertebild nach 2.
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Beim sechsten Schritt wird anschließend aus diesem
Bild ein Histogramm der Temperaturverteilung der Oberfläche des
Strahlers nach 3 bestimmt.
Dazu werden die Temperaturwerte auf die signifikante Dezimalstelle
gerundet, wobei die signifikante Dezimalstelle durch die relative
Temperaturauflösung
des Wärmebildgeräts bestimmt
ist, bzw. durch dessen Strahldichte-Nachweisvermögen NER (noise equivalent radiance),
aus dem sich die Temperaturauflösung
ergibt.
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Beim siebten Schritt wird für alle ermittelten Temperaturen
unter Anwendung des Planckschen Strahlungsgesetzes die spektrale
Strahldichte L(σ) Schwarzer
Strahler berechnet. Mit Hilfe der beim sechsten Schritt berechneten
Temperaturverteilung wird daraus ein äquivalentes Bild der Strahldichteverteilung
berechnet.
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Ist das zu kalibrierende Gerät (13)
optisch so eingestellt, dass es die Strahleroberfläche scharf
abbildet, wird jeder der Strahldichte-Bildpunkte mit dem ihm zugeordneten
Wert der relativen Empfindlichkeit des Gesichtsfelds des zu kalibrierenden
Gerät (13) gewichtet
(multipliziert).
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Die gewichteten Strahldichtewerte
werden aufsummiert und die Summe wird durch die Zahl der enthaltenen
Werte (Zahl der Bildpunkte im Gesichtsfeld des zu kalibrierenden
Geräts 13)
dividiert. Das Resultat ist die bei der Kalibrierung tatsächlich wirksame
spektrale Strahldichte des Kalibrierstrahlers (1) im Bereich
des Gesichtsfelds des zu kalibrierenden Geräts (13).
-
Wird vom zu kalibrierenden Gerät (13)
die Strahleroberfläche nicht
scharf abgebildet, werden die berechneten Strahldichtewerte mit
ihrer sich aus dem Histogramm ergebenden Häufigkeit gewichtet und durch
die Zahl der enthaltenen Werte (Zahl der Bildpunkte im Gesichtsfeld
des zu kalibrierenden Geräts 13)
dividiert. Daraus ergibt sich die mittlere Strahldichte im Gesichtsfeld,
die mit der relativen Empfindlichkeit des Gesichtsfelds multipliziert
wird.
-
Das Resultat der Auswertung ist die
bei der Kalibrierung tatsächlich
wirksame spektrale Strahldichte des Kalibrierstrahlers 1 im
Bereich des Gesichtsfelds des zu kalibrierenden Geräts 13,
die zu dessen Kalibrierung verwendet werden.
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Hierbei werden zur Kalibrierung bekannte Verfahren,
wie Kalibrierung bei einer oder zwei Temperatur/en, sowie bei drei
und mehr Temperaturen, eingesetzt. Auch die Kalibriermethode mit
inhärenter Bestimmung
der Strahlertemperaturen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
verknüpft
werden.
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Erfindungsgemäß ist die Methode zur Temperaturbestimmung
dergestalt erweitert, dass die relative Verteilung der Temperaturen
im Histogramm und die Zahl der darin verwendeten Messwerte, sowie
die relative Empfindlichkeit des Messgeräts (14) in Bezug auf
dessen Gesichtsfeld und die Verteilung der Temperaturen des jeweiligen
Strahlers in Bezug auf ihre Lage im Gesichtsfeld des Messgeräts (14) als
zusätzliche,
bekannte Daten im Ausgleichsalgorithmus verwendet werden.
-
Es wird jeweils nur eine Temperatur
berechnet und unter Verwendung des Histogramms und der anderen bekannten
Daten die für
den Vergleich der Messung mit der Rechnung benötigte Strahldichte nach dem
siebten Schritt bestimmt.
-
- 1
- Kalibrierstrahler
- 2
- Gehäuse
- 3
- Wabenstruktur
- 4
- Platte
- 5
- Hohlraum
- 6
- Spiegel
- 10
- Infrarotstrahler
(Punktstrahler)
- 11
- Positioniereinrichtung
- 11x,
11y, 11z
- Verfahreinheiten
- 12
- Schrittmotor
- 13
- Radio/Spektrometer
- 14
- Wärmebildgerät
- 15
- optische
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