DE29819056U1

DE29819056U1 - Infrarotthermometer

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Publication number: DE29819056U1
Application number: DE29819056U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2008-10-27

Description

TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GbR

PATENTANWÄLTE-EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dr. Nicolaus tor Meer. Dipl.-Chem. Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing.

Peter Urner, Dipl.-Phys. Manfred Wiebusch

Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH)

Mauerklrcherstrasse 45 Artur-Ladebeck-Strasse 51

D-81679 MÜNCHEN D-33617 BIELEFELD

Case: P-0014GE Ur/Js/ho

26. Oktober 1998

Chao-Wang Chen

- 2-4F, No. 8, Lane 44

Wan An Street
Taipei, Taiwan, Republik China

Infrarotthermometer Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Infrarotthermometer.

Herkömmliche Thermometer vom Kontakttyp, wie Quecksilberoder elektronische Thermometer, leiden unter ihrer langsamen Ansprechgeschwindigkeit und ihrem unzweckdienlichen Gebrauch. Durch Anwenden einer Sensortechnik mittels Infrarotstrahlung ist jedoch seit einiger Zeit kontaktfreie Temperaturerfassung möglich.

Der menschliche Körper oder andere Objekte mit einer Temperatur über der absoluten Nulltemperatur (O K) emittieren Wärmestrahlung. Gemäß dem Wienschen Gesetz hat die maximale Strahlungswellenlänge den Wert Xmax == 2900/T, wobei Xmax in der Einheit m gemessen wird und T die absolute Temperatur

(K) ist. So liegt die maximale Wellenlänge menschlicher

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Strahlung (35 - 40⁰C) bei ungefähr 8 - 10 it in der Infrarotzone.

Ferner kann gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die Strahlungsenergie E durch die Gleichung E = &egr;&rgr;&Tgr;⁴ berechnet werden, wobei &egr; das Emissionsvermögen des Materials ist, wobei dieser Wert für die menschliche Haut z. B. 0,98 beträgt. Die Konstante &rgr; hat den Wert 5,67 &khgr; 10~⁸ W/m²(K)⁴.

Daher wird die von einem Sensor erfcisste Strahlungsenergie eines menschlichen Körpers oder eines Objekts q = ep (Tb⁴ - Ts⁴), wobei Tb die Temperatur des Körpers oder des Objekts ist und Ts die Umgebungstemperatur ist.

Gemäß dieser Beschreibung kann die Temperatur eines Objekts mittels eines Sensors aufgrund der Strahlung des Objekts gemessen werden. Jedoch sollte in der Praxis eine sorgfältige Konstruktion hinsichtlich des Einleitens der Strahlung, des Abschirmens störender Strahlung sowie der Verstärkung des 0 Strahlungssignals gewählt werden, um ein korrektes Messergebnis zu erzielen.

Zu Infrarot-Strahlungssensoren gehören hauptsächlich pyroelektrische Sensoren und Thermosäulensensoren. Für jeweils 5 unterschiedliche Sensoren oder unterschiedliche Erfordernisse hinsichtlich Genauigkeit oder des Messbereichs sind die Thermometerkonstruktionen ziemlich verschieden.

Bei einem Thermometer mit pyroelektrischem Sensor, wie im US-Patent 4,797,840 offenbart, ist ein Verschluss erforderlich, um das Durchlassen von Infrarotstrahlung zum Sensor zu steuern. Die Anordnung des mechanischen Verschlusses erzeugt , im Betrieb Geräusche und wird leicht abgenutzt.

5 Ohrthermometer unter Verwendung von Thermosäulensensoren

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sind in den US-Patenten 4,895,164 und 4,993,419 offenbart. Die Thermometer sind zusammen mit einem Thermistor in einer leitenden Wärmemasse montiert. Eine Gasumgebung mit niedriger Leitfähigkeit umgibt ein Wellenleiterrohr, das in der Wärmemasse vorhanden ist, um Strahlung in die Thermosäule einzuleiten. Dann erzeugt eine elektronische Einheit ein dem Strahlungssignal der Thermosäule und dem Umgebungstemperatursignal des Thermistors entsprechendes Ausgangssignal. Die Thermosäule und der Thermistor sind gesonderte Teile, die mit einem Epoxidharz guter Wärmeleitfähigkeit verbunden werden müssen. Daher ist der Herstellprozess kompliziert und teuer.

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, ein Thermometer mit einer Thermosäule anstelle eines pyroelektrischen Sensors als Strahlungssensor sowie ohne störenden Verschlussmechanismus zu schaffen.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, ein Thermometer unter Verwendung eines Thermosäulensensors zu schaffen, das in derselben Einheit einen Umgebungstemperatursensor enthält, um den Zusammenbau zu vereinfachen und besseres Ansprechverhalten zu erzielen.

Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist es, ein Thermometer zu schaffen, bei dem ein Wellenleiter des Sensors gut wärmeisoliert ist.

Eine vierte Aufgabe der Erfindung ist es, ein Thermometer zu schaffen, bei dem ein Mikrochip so konzipiert ist, dass er Temperaturberechnungen und einschlägige Funktionen, insbesondere eine Kalibrierfunktion, ausführt.

Diese Aufgaben sind durch das Thermometer gemäß der Erfindung gelöst.

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Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Schnittansicht eines Thermosäulensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer Sondenbaugruppe in einem Thermometer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltungsanordnung eines Thermometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist ein detailliertes Schaltbild des Ausführungsbeispiels von Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Beispiel eines LCD-Layouts für ein Thermometer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das einen Kalibrierprozess mittels eines Mikrochips während der Herstellung eines Ther-5 mometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 7 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Anordnung für manuelle Kalibrierung eines Thermometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 8 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Anordnung für automatische Kalibrierung eines Thermometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Der in Fig. 1 dargestellte Sensor 1 verfügt über eine Thermosäule 13 und einen Umgebungstemperatursensor 12, wie einen Thermistor, die in einem Gehäuse 15 untergebracht sind, das an seinem Boden 10 vier Ausgangsstifte 11 aufweist. Die Thermosäule 13 und der Temperatursensor 12 sind auf einem Siliziumsubstrat 131 angeordnet, das den kalten Verbindungspunkt der Thermosäule bildet. Ein heißer Verbindungspunkt 13 2 ist dadurch thermisch gegen den kalten Verbindungspunkt 131 isoliert, dass eine extrem dünne selbsttragende Membran geätzt wurde. Eine Absorptionsfläche an der heißen Verbindungsstelle 132 wandelt eintreffende Strahlung, die durch ein Filterfenster 14 in das Gehäuse 15 eintritt, in Wärme um. Durch den Seebeckeffekt, wie er für herkömmliche Thermoelemente verwendet wird, wird eine Spannung proportional zur Strahlung erzeugt. Der Temperatursensor 12 liefert die Momentantemperatur eines temperaturempfindlichen Widerstands, die als Bezugstemperatur für den kalten Verbindungspunkt 131, d. h. das Sensorsubstrat, verwendet wird. Diese Doppelsensoreinheit sorgt für hohe Empfindlichkeit und hohes Sig-0 nal/Rauschsignal-Verhältnis. Es können einige handelsübliche Erzeugnisse gewählt werden, wie TPS 434 von Heimann oder TS 10060 von HL Planar.

Gemäß Fig. 2 umfasst die dort dargestellte Sonde 99 einen Außenmantel 90, der allgemein aus Kunststoff besteht, sowie eine darin befestigte Sensorbaueinheit. Der Sensor 1 ist mittels eines Halters 91 am Innenende eines Wellenleiterrohrs 92 befestigt. Der Halter 91 besteht vorzugsweise aus Metall, um die Temperaturdifferenz zwischen dem Rohr 92 und dem Sensor 1 zu minimieren. Das Wellenleiterrohr 92 besteht vorzugsweise aus Metall, und es ist mit Gold beschichtet, um sein Reflexionsvermögen hinsichtlich Wärmestrahlung zu verbessern. Das Rohr und die Sensorbaueinheit werden durch einen Abstandshalter 93 in einer konusförmigen Metallabschirmung 94 gehalten. Die Abschirmung 94 bildet eine Wärmemasse

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zum Isolieren der Sensorbaueinheit gegen jede mögliche Wärmestrahlung mit Ausnahme derjenigen, die von einem Außenende des Rohrs 92 in dieses eintritt. Ferner sind Lufträume 98 zwischen dem Halter 91 und der Abschirmung 94, zwischen dieser und dem Rohr 92 sowie zwischen der Abschirmung und dem Außenmantel 90 vorhanden, um Doppelisolierfunktion zu erzielen, d. h., um die Wärmeisolierung zwischen den Komponenten zu erhöhen und das Signal/Rauschsignal-Verhältnis der Sondenanordnung zu verbessern. Es existiert eine am distalen Ende der Abschirmung 94 befestigte Filterlinse 95, um eine Verunreinigung des Rohrs 92 zu verhindern. Ferner ist eine wegwerfbare Abdeckung 96 vorhanden, die zu Hygienezwecken verwendet wird, wenn die Ohrtemperatur erfasst wird. Die Linse 95 und die Abdeckung 96 bestehen vorzugsweise aus Polyethylen oder Polypropylen. Signale des Sensors 1 werden zur Verarbeitung an eine PCB(Printed Circuit Board = gedruckte Leiterplatte)-Anordnung 120 cfeliefert.

Gemäß Fig. 3 werden Signale vom einstückigen Thermosäule- und Temperatursensor 1 mittels einer Verstärker- und Filterschaltung 2 verstärkt und gefiltert und dann durch einen Mikrochip 3 verarbeitet. Der Mikrochip 3 enthält Analog-Digital-Wandler 31 zum Umsetzen der Sensorsignale in digitale Signale; eine CPU mit einem ROM und einem RAM 32 zum Verarbeiten der digitalen Signale und zum Erzeugen von Messausgangssignalen, wobei eine Aktivierung durch einige Bedienungstasten 5 erfolgt, einen LCD-Treiber 33 für eine Anzeige des Messergebnisses mittels eines LCD 6/ sowie eine Kommunikationsschnittstelle 3 4 für Eingabe- und Ausgabezwecke hinsichtlich einiger peripherer Bauelemente 8 wie einer Kalibriervorrichtung oder einer Überwachungsvorrichtung. Die CPU mit ROM und RAM 32 ist speziell zum Berechnen der Temperatur aus den Eingangssignalen, zum Lesen und Schreiben von Systemparametern unter Verwendung eines EEPROM 4, zum Erzeugen 5 von Tonausgangssignalen an einen Summer oder Lautsprecher 7

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und zum Kommunizieren mit den peripheren Bauteilen 8 konzipiert.

Gemäß Fig. 4 werden Signale des Sensors 1, d. h. Signale vom Thermosäule- und Temperatursensor durch Operationsverstärker 21 bzw. 2 2 verstärkt, bevor eine Verarbeitung durch den Mikrochip 3 erfolgt. Zwei Tasten 51 und 52 werden dazu verwendet, Befehle "Einschalten" und dann "Auswählen" und "Ausführen" zu aktivieren. Zum Beispiel wird eine Funktion aus den folgenden ausgewählt und ausgeführt: "Erfassen der Ohrtemperatur", "Erfassen einer anderen Objekttemperatur", "Abspeichern der Temperatur" und "Abrufen der Temperatur aus dem Speicher". Wenn beide Tasten 51 und 52 betätigt werden, wird für weitere Auswähl- und Ausführungszwecke ein Zustand eingestellt, der für folgende Einstellungen dient: "Datum", "Zeit" oder "Anzeige in ⁰C oder ⁰F". Das LCD 6 zeigt die Betriebszustände. Nachdem die Tasten einige Zeit nicht betätigt wurden, geht die Einheit in einen Ruhezustand oder den abgeschalteten Zustand über. In den EEPROM 4 werden mittels des Mikrochips 30 Systemparameter eingeschrieben, und aus ihm gelesen, wie Messkalibrierfaktoren und Systembedingungen. Tonausgangssignale, die einige Systemzustände repräsentieren, wie Messbereitschaft oder Vorliegen des Messergebnisses, werden über den Lautsprecher 7 abgespielt. Ein Stiftkopf 34 wird als Verbindungsschnittstelle für den Mikrochip 3 zur Verbindung mit möglichen äußeren Bauteilen verwendet, wie mit einer Kalibriereinheit während des Herstellprozesses des Thermometers. Eine Spannungsversorgungsschaltung 100 stellt verschiedene Spannungen Vl, V2, V3 und 0 Va von einer Quelle Vn bereit, wie dargestellt. Ein Transistor Ql wird durch ein Steuerungssignal Ct vom Mikrochip 3 so gesteuert, dass das Ein- oder Ausschalten der Einheit ausgeführt wird.

5 Gemäß dem LCD-Layout von Fig. 5 verfügt das LCD 6 über Da-

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turns- und Zeitstellen 65, Funktionszeichen 61, 62, 63 und 64, Temperaturstellen 66, Zeichen 67 für ⁰C oder ⁰F, Zeichen 68 für Abtasten oder Registrieren sowie ein Zeichen 69 für "schwache Batterie".
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Der Kalibrierprozess gemäß dem Flussdiagramm von Fig. 6, wie er während der Herstellung des Thermometers mittels des Mikrochips ausgeführt wird, kann die folgenden Abläufe umfassen:

a) Lesen eines Spannungswerts zum Einstellen eines Schwellenwerts für den Anzeigezustand "schwache Batterie";
b) Lesen mindestens zweier Paare von Daten für den Widerstand über der Temperatur, um eine Ansprechlinie des Temperatursensors zu erzeugen;

c) Überprüfen des tatsächlichen Ansprechverhaltens des Temperatursensors, um die Ansprechlinie des Temperatursensors zu versetzen, falls erforderlich;

d) Einlesen mindestens zweier Paare von Daten für die Spannung über der Temperatur, um eine Ansprechlinie der Thermosäule zu erzeugen; und

e) Prüfen des tatsächlichen Ansprechverhaltens der Thermosäule, um die Ansprechlinie der Thermosäule zu versetzen, falls erforderlich.

5 Der Kalibrierprozess kann von Hand oder automatisch so abgeschlossen werden, wie dies unten beschrieben ist.

Gemäß der Anordnung von Fig. 7 für manuelle Kalibrierung umfasst das Thermometer eine Sondenanordnung 99 und eine PCB-0 Anordnung 12 0, die den Mikrochip 3, den EEPROM 4, die Tasten 5, das LCD 6 und die Schnittstelle 34 enthält. Das Thermometer ist über die Schnittstelle 34 mit einer Eingabeeinrichtung 81 verbunden, die mehrere Bedienertasten 810 zum Eingeben von Kalibrierdaten aufweist. Für die Sonde 99 des Ther-5 mometers werden zumindest zwei Schwarzkörper-Strahlungsquel-

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len 82 verschiedener Bezugstemperaturen, von denen jede aus einem wärmegeregelten Metallkörper 821, einem Heizer 822, einer Temperatursonde 824 für Regelung, einer Regelungseinheit 825 und einer Bedienkonsole mit Anzeige 826 besteht, verwendet, auf die zu zeigen ist, um die Bezugstemperaturen einzeln zu erfassen. Bei einer Steuerungsabfolge gemäß dem Mikrochip 3 überwacht der Benutzer die Anzeige auf dem LCD, die das Ansprechverhalten der Sensoreinheit in der Sonde 99 zeigt, und dann gibt er über die Tasten 810 und die Tasten 5 korrigierende Eingaben ein, um das Ansprechverhalten der Sensoreinheit zu kalibrieren. Danach werden die Kalibrierungsparameter unter Steuerung durch den Mikrochip 3 beim oben beschriebenen Kalibrierprozess gemäß Fig. 6 im EEPROM 4 eingespeichert.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Anordnung für automatische Kalibrierung des Thermometers enthalten die Eingabeeinrichtung und die Schwarzkörper-Strahlungsquellen 82, wie sie hier verwendet sind, ferner jeweils einen Sendeempfänger 813, 828 sowie einen Codierer/Decodierer 814, 827. Jeder der Sendeempfänger kann eine nicht dargestellte Photodiode und einen Empfänger für eine optische Übertragungsstrecke verwenden, oder er kann andernfalls eine Funkübertragungsstrecke verwenden. Beim Ablauf der automatische Kalibrierung 5 steuert der Mikrochip 3 den Sendeempfänger 813 über den Codierer/Decodierer 814 so, dass er mit den Schwarzkörper-Strahlungsquellen 82 zusammenwirkt, um die Temperatur zu erfassen und die Ansprechverhalten sequentiell und automatisch zu korrigieren. Tasten 810 der Eingabeeinrichtung 81 werden 0 nur dazu verwendet, den Ablauf zu aktivieren oder aufzuheben. Der Sendeempfänger 813 und der Codierer/Decodierer 814 können auch in die PCB-Anordnung 12 0 des Thermometers eingebaut sein, so dass keine gesonderte Befestigung 81 erforderlich ist.
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Da der Kalibrierprozess durch den Mikrochip 3 gesteuert ist, der einen EEPROM enthält, können der Kalibrierprozess und die Daten geeignet beschaffen sein, um höhere Genauigkeit und einen größeren Sicherheitsbereich für Messungen zu erzielen. Zum Beispiel gewährleisten mehrere Kalibrierpunkte um die Temperatur des menschlichen Körpers herum hohe Genauigkeit der Messung der Körpertemperatur, während andere Kalibrierpunkte im Bereich höherer oder niedrigerer Temperaturen dafür sorgen, dass das Thermometer auch in einem anderen Temperaturbereich arbeitet, wie von 0⁰C bis 100⁰C.

Claims

CHEN. Chao-Uang; P-DD14GE ► &diams; · · • &Igr;&igr; · · ' Ansprüche

1. Infrarot-Strahlungsthermometer mit:

- einer einstückigen Sensoreinheit (1);

- einer Metal!abschirmung (94) und einem Außenmantel (90) zum Abdecken eines optischen Führungssensors durch dazwischen ausgebildete Lufträume, um so für eine Doppelisolierung der optischen Führung zu sorgen;

- einer Signalverstärkungs- und Filtereinrichtung (2) zum Verarbeiten von Signalen vom Sensor, die durch eine Mikroverarbeitungseinrichtung (3) zu verarbeiten sind, die mindestens einen A/D-Umsetzer, eine CPU, Speicher und einen LCD-Treiber aufweist, um Temperatur-Messergebnisse zu berechnen und Ausgangssignale zu erzeugen;

- einem von der Mikroverarbeitungseinrichtung gesteuerten EEPROM (4) zum Registrieren von System- und Kalibrierparametern, wie sie von der Mikroverarbeitungseinrichtung zu verwenden sind; und

- einer Ausgabeeinrichtung, um zumindest einen Temperaturablesewert auszugeben.

2. Thermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einstückige Sensoreinheit (1) aus einer Thermosäu-Ie (13) und einem Umgebungstemperatursensor (12) besteht.

3. Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroverarbeitungseinrichtung (3) ferner eine Datums- und Zeitsignaleinheit zum Speichern und Heraussuchen von Messwerten mittels; des EEPROM zusammen mit Datums- und Zeitsignalen aufweist.

4. Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroverarbeitungseinrichtung (3) ferner eine Tonausgabeeinrichtung (7) aufweist.

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5. Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kommunikationsschnittstelle für Kommunikation mit äußeren Bauteilen, zu denen zumindest eine Kalibriervorrichtung gehört.

6. Thermometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriervorrichtung mindestens eine Schwarzkörper-Strahlungsquelle (82) aufweist.

7. Thermometer nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroverarbeitungseinrichtung (3) ferner eine Kalibriersteuerungseinrichtung zum Ausführen mindestens eines der folgenden Abläufe aufweist:

a) Lesen von mindestens zwei Paaren von Daten für den Widerstand über der Temperatur, um eine Ansprechlinie des Umgebungstemperatursensors zu erzeugen;

b) Prüfen des tatsächlichen Ansprechverhaltens des Umgebungstemperatursensors, um dessen Ansprechlinie zu versetzen;

c) Lesen von mindestens zwei Paaren von Daten für den Widerstand über der Temperatur, um eine Ansprechlinie der Thermosäule zu erzeugen;

d) Prüfen des tatsächlichen Ansprechverhaltens der Thermosäule, um deren Ansprechlinie zu versetzen.

8. Thermometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriersteuerungseinrichtung in der Mikroverarbeitungseinrichtung (3) ferner einen Ablauf zum Lesen des Spannungswerts einer Batterie aufweist, um einen Schwellenwert für die Anzeige eines Zustands mit schwacher Batterie einzustellen.

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9. Thermometer nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriersteuerungseinrichtung über eine mit der Mikroverarbeitungseinrichtung (3) verbundene Eingabeeinrichtung zur Eingabe von Kalibrierdaten arbeitet und dass mindestens zwei Strahlungsquellen (82) verschiedener Bezugstemperaturen vorhanden sind, um für eine Strahlungseingabe in die Sensoreinheit zu sorgen.

10. Thermometer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Datenübertragungs- und -empfangseinrichtung (813, 828), durch die die Eingabeeinrichtung und die Strahlungsquellen (82) automatisch miteinander kommunizieren.