DE3650770T2

DE3650770T2 - Elektronisches Infrarotthermometer und Verfahren zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE3650770T2
Application number: DE3650770T
Authority: DE
Inventors: Jacob Fraden
Original assignee: Thermoscan Inc
Current assignee: Kaz USA Inc
Priority date: 1985-04-17
Filing date: 1986-04-15
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2006-04-16
Also published as: EP0219531B1; DE3650770D1; DE3650723T2; WO1986006163A1; DE219531T1; JPS62503119A; CA1265355A; EP0786649B1; AU6602186A; US4797840A; JPH0663851B2; EP0786649A3; EP0219531A1; CA1314407E; DE786649T1; DE3650723D1; AU587090B2; EP0219531A4; EP0786649A2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein elektronisches Thermometer und insbesondere ein berührungsfreies elektronisches Infrarotthermometer und ein Verfahren zum Messen der Temperatur eines Objekts.

Hintergrund der Erfindung

Die Temperatur eines Objekts, wie des menschlichen Körpers, kann unter Verwendung eines Kontaktthermosensors oder durch Messen der natürlich abgestrahlten Energie vom Körper, wie der im fernen Infrarotbereich abgestrahlten Energie, bestimmt werden. Die Infrarotstrahlung steht in direktem Verhältnis zur Temperatur des Objekts und kann verwendet werden, um die Temperatur des Körpers zu bestimmen. Eine als Beispiel dienende Temperaturmeßvorrichtung, bei der, ein pyroelektrischer Infrarotstrahlungssensor verwendet wird, ist in JP-A-57 035740 offenbart. Die Vorrichtung weist einen monostabilen Verschluß zum Erhalten einer Übergangs- Ausgabe vom Sensor auf und kompensiert die Temperatur des Verschlusses durch Verarbeiten der Ausgabe des Sensors mit einem durch einen Thermistor bestimmten Verschlußtemperatursignal. Ansonsten ist die Beschreibung der Vorrichtung in JP- A-57 035740 nicht sehr vollständig.
Ein weiteres Infrarotthermometer mit Fernablesung ist vollständiger in US-A-4 005 605 beschrieben. Das Instrument ist tragbar ausgelegt und hat an seinem vorderen Ende einen Sensorhohlraum, der durch ein konisches Gehäuse definiert ist, dessen Scheitelpunkt nach vorne weist und an seinem Scheitelpunkt eine verhältnismäßig kleine Öffnung aufweist, um Infrarotstrahlung in den Hohlraum einzulassen. Ein Strahlungsdetektor ist innerhalb des Hohlraums angebracht, um Infrarotstrahlung von einem Objekt zu empfangen, wenn das Instrument auf das Objekt gerichtet ist und wenn ein konkaver Strahlung fokussierender Spiegel innerhalb des Hohlraums geeignet positioniert ist. Der Spiegel ist beweglich und normalerweise so positioniert, daß der Strahlungssensör Infrarotstrahlung aus der Umgebung von den Wänden des Hohlraums empfängt, wobei ein Auslöser bereitgestellt ist, um den Spiegel so zu bewegen, daß bewirkt wird, daß Strahlung von einem äußeren Objekt auf den Strahlungssensor fokussiert wird. In dem Hohlraum ist auch ein Thermistor bereitgestellt, um ein Umgebungstemperatursignal abzuleiten. Die Elektronik des Instruments verarbeitet Signale vom Strahlungssensor, die für die Hohlraumtemperatur und die Objekttemperatür repräsentativ sind, mit dem Thermistorsignal, um eine voll kompensierte Temperaturmessung zu erreichen.

Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes berührungsfreies elektronisches Thermometer bereitzustellen, das genau, zuverlässig und kostengünstig herzustellen ist.
Gemäß einer Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Thermometer vorgesehen, welches aufweist: ein Gehäuse, einen pyroelektrischen Sensor, der im Gehäuse gehalten ist und auf Infrarotstrahlung anspricht, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das aufgrund eines Empfangs der genannten Strahlung eine Übergangs-Antwort zeigt, eine Richteinrichtung, die von dem Gehäuse gehalten wird und auf den Sensor optisch ausgerichtet ist, um Infrarotstrahlung von einem Objekt auszurichten, dessen tatsächliche Temperatur gemessen werden soll, so daß jene auf den Sensor einfällt, wobei die Richteinrichtung einen länglichen Wellenleiter vorbestimmter Länge mit einem äußeren Ende zum Empfang von Infrarotstrahlung von dem zu messenden Objekt und einem inneren Ende in betriebsmäßiger Ausrichtung zu dem Sensor, wobei der Wellenleiter mit dem Sensor so verbunden ist, daß er sich mit diesem im thermischen Gleichgewicht befindet, und eine gleichmäßige glänzende Innenfläche niedriger Abstrahlung aufweist, um die Übertragung von Infrarotstrahlung zu erleichtern, eine Freigabeeinrichtung, die von dem Gehäuse gehalten wird, um eine Antwort des Sensors auf die Strahlung zu bewirken, und eine elektrische Einrichtung, die von dem Gehäuse gehalten wird und auf die Übergangs-Antwort des genannten Signals anspricht, um das Signal zu verarbeiten und eine Angabe der tatsächlichen Temperatur des Objekts zu erzeugen.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen: ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines Objekts mit einem Thermometer, das ein Gehäuse aufweist, innerhalb des Gehäuses einen pyroelektrischen Sensor zum Ansprechen auf Infrarotstrahlung zur Erzeugung eines elektrischen Signals trägt, das bei Empfang der genannten Strahlung von dem Objekt entlang eines länglichen Wellenleiters mit einer glatten und glänzenden Innenfläche niedriger Abstrahlung zur leichteren Übertragung von Infrarotstrahlung und einer Außenfläche vorbestimmter Länge zum Empfang der genannten Infrarotstrahlung von dem Objekt innerhalb des Leiters durch dessen äußeres Ende eine Übergangs-Antwort zeigt, wobei sichergestellt wird, daß der Leiter wirksam auf den Sensor ausgerichtet ist, der Wellenleiter zur Verbindung mit dem Sensor angeordnet wird, so daß sich dieser im thermischen Gleichgewicht mit jenem befindet, eine vom Gehäuse gehaltene Freigabeeinrichtung verwendet wird, um eine Antwort des Sensors auf die genannte Strahlung zu bewirken, und eine elektrische Einrichtung freigegeben wird, die vom Gehäuse gehalten wird und auf die Übergangs-Antwort des Signals anspricht, um das Signal unter Gewinnung einer Angabe der tatsächlichen Temperatur des Objekts zu verarbeiten.
Daher kann die Erfindung ein berührungsfreies elektronisches Thermometer zum praktisch augenblicklichen Messen der Temperatur eines Objekts bereitstellen.
Das berührungsfreie elektronische Thermometer kann für medizinische Anwendungen eingesetzt werden, und es ist kompakt, kostengünstig und zweckmäßig und leicht einsetzbar.
Alternativ kann ein Wärmedetektor für medizinische Anwendungen bereitgestellt werden, der warme Stellen auf der Oberfläche der Haut erfaßt.
Weiterhin kann ein Verfahren zum Messen der Temperatur eines Körpers unter Verwendung eines schnellen pyroelektrischen Infrarotsensors und eines verhältnismäßig langsamen Umgebungstemperatursensors bereitgestellt werden.
Die vorstehend erwähnten und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen dargelegt und werden Fachleuten beim Lesen der folgenden Beschreibung als Beispiel dienender Ausführungsformen zusammen mit der anliegenden Zeichnung verständlich werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1, ist eine schematische perspektivische Teilansicht des elektronischen Thermometers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des elektronischen Thermometers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine schematische Längsschnittansicht des pyroelektrischen Sensors.
Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht des pyroelektrischen Filmmaterials des pyroelektrischen Sensors aus Fig. 3.
Fig. 5 ist eine schematische Längsschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines pyroelektrischen Sensors.
Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlrichtelements aus Fig. 2.
Fig. 7 ist ein schematischer Schaltplan der Verstärkerschaltung aus Fig. 2.
Fig. 8 ist eine graphische Echtzeitdarstellung des Betriebssensorsignals.
Figur β ist eine schematische Ansicht einer Kalibrierungsanordnung für das elektronische Thermometer.
Fig. 10 ist eine graphische Ansicht der in der Kalibrierungsariordnung aus Fig. 9 erzeugten Wellenformen.
Fig. 11 ist eine andere Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration des pyroelektrischen Sensors aus Fig. 9.
Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration des pyroelektrischen Sensors aus Fig. 9.
Fig. 13 ist eine schematische Ansicht einer alternativen Kalibrierungsanordnung.
Fig. 14 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Wärmedetektors.
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht des Wärmedetektors aus Fig. 14.
Fig. 16 ist eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines pyroelektrischen Sensors.
Fig. 17 ist eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines pyroelektrischen Sensors. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen In der Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um die gleichen oder ähnliche Teile zu bezeichnen, ist das elektronische Thermometer gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt das Thermometer 10 im wesentlichen ein Gehäuse 12, das eine Innenkammer 13 bildet, ein Projektionssystem oder einen Wellenleiter 14 zum Richten von Infrarotstrahlung in die Kammer 13, eine Verschlußanordnung 16 zum Steuern des Durchgangs von Infrarotstrahlung durch das Projektionssystem 14, eine pyroelektrische Sensoranordnung 18, einen Umgebungstemperatursensor 20 und eine elektronische Schaltung 22.
Das Gehäuse 12 hat ein längliches unteres Ende 24, das ein pistolengriffartiges Griffstück mit einer zweckmäßigen Größe zum einhändigen Betrieb aufweist. Das obere Ende 26 des Gehäuses 12 bildet die Innenkammer 13 zum Anbringen der pyroelektrischen Sensoranordnung 18 und des Umgebungstemperatursensors 20 und bildet eine Abschirmung für äußere Infrarotstrahlung abgesehen von derjenigen, die durch das Projektionssystem 14 empfangen wird.
Das Projektionssystem 14 ist an der Vorderseite 28 des Gehäuses 12 mit dem pyroelektrischen Sensor 18 ausgerichtet angebracht, um zu messende Infrarotstrahlung vom Objekt 11 auf den in der Kammer 13 angebrachten pyroelektrischen Sensor zu richten oder zu lenken. Das Projektionssystem 14 besteht vorzugsweise aus Metall, und es ist derart mit dem pyroelektrischen Sensor 18 verbunden, daß es in thermischem Gleichgewicht damit steht, wenngleich dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Statt aus Metall zu bestehen, kann das Innere des Projektionssystems metallisiert sein.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, ist das Projektionssystem 14 zylinderförmig und weist eine gleichmäßige glänzende Innenfläche 30 auf, um das Überträgen von Infrarotstrahlung vom offenen Empfangsende 32 zum pyroelektrischen Sensor 18 zu ermöglichen und um eine geringe Abstrahlung bereitzustellen, um durch Sekundärstrahlung vom Projektionssystem 14 erzeugte Fehler zu verringern, falls die Temperatur des Projektionssystems etwas von der Temperatur des pyroelektrischen Sensors 18 abweicht. Die Gesamtlänge des Projektionssystems 14 bestimmt den Sichtwinkel A, wie in Fig. 6 dargestellt ist, und für die meisten medizinischen Anwendungen liegt die Länge des Projektionssystems vorzugsweise im Bereich von 2-10 Zentimeter.
Vorzugsweise ist die Außenfläche 34 des Projektionssystems 14 gegenüber Umgebungswärmequellen, wie dem menschlichen Körper, durch eine schützende Thermoisolatorbeschichtung 36 thermisch isoliert. Eine annehmbare Thermoisolatorbeschichtung ist Kunststoff, beispielsweise ein aus einem Phenolharz bestehender Kunststoff. Die Außenfläche der Schutzbeschichtung 36 ist glänzend, um Wärme von außen zu reflektieren. Wie in Fig. 6 in Phantomlinien dargestellt ist, kann eine abnehmbare, wegwerfbare Schutzabdeckung 38 bei bestimmten Anwendungen verwendet werden, um zu verhindern, daß die Oberfläche des Projektionssystems das zu messende Objekt berührt, beispielsweise um eine Verunreinigung zu verhindern. Die Abdeckung 38 hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, und ein annehmbares Material ist ein Material vorn Polyethylentyp.
Die pyroelektrische Sensoranordnung 18 ist in der Kammer 13 angebracht, und sie ist, wie in Fig. 2 dargestellt ist, mit dem Projektionssystem 14 ausgerichtet positioniert, um die durch das Projektionssystem 14 hindurchtretende Infrarotstrahlung zu empfangen. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, weist die pyroelektrische Sensoranordnung 18 eine Basis 40 auf, die eine offenendige innere Vertiefung 42 zum Anbringen eines pyroelektrischen Films 44 bildet, um die Infrarotstrahlung vom Projektionssystem 14 zu empfangen. Der pyroelektrische Film 44 ist zwischen einer nach außen gerichtet angeordneten Umfangsklemme 46 und einem nach innen gerichtet angeordneten Umfangskontaktring 48 geklemmt. Der Kontaktring 48 ist gegenüber der Basis 40 beabstandet sicher in der Vertiefung 42 angebracht. Ein isolierendes Einsatz-Abstandselement 50 isoliert den Kontaktring 48 elektrisch gegenüber der Basis 40, und der Einsatz 50 greift, wie in Fig. 3 dargestellt ist, zusammenwirkend in das innere Ende des Kontaktrings 48 ein, um den Kontaktring von der Basis 40 beabstandet zu halten.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der pyroelektrische Film eine sehr dünne Folie aus pyroelektrischem Material in der Art von Polyvinylidenfluorid (PVDF). Falls er elektrisch polarisiert ist, weist ein solcher Film in der Hinsicht einen pyroelektrischen Effekt auf, daß er in der Lage ist, ansprechend auf eine durch den Empfang von Infrarotstrahlung erzeugte Änderung seiner Temperatur eine elektrische Ladung zu erzeugen. Es können auch andere Konfigurationen und Materialien verwendet werden, wie jene, die in US-A-4 379 971 von Smith u. a. und in US-A-3 809 920 von Cohen u. a. allgemein dargelegt sind. Bei der erläuterten Ausführungsform ist Polyvinylidenfluorid ein bevorzugtes Material, weil es für winzige und schnelle Temperaturänderungen ansprechend auf die hier verwendete Infrarotstrahlung empfindlich ist und verhältnismäßig kostengünstig ist.
Mit Bezug auf Fig. 4 sei bemerkt, daß der pyroelektrische Film 44 von 5 bis 100 Mikrometer reichende veränderliche Dicken aufweisen kann, wobei die Dicke anhand der Empfindlichkeit und des Geschwindigkeitsverhaltens, die für eine bestimmte Anwendung erwünscht sind, bestimmt wird. Ein Paar planarer Elektroden 52, 54 ist auf entgegengesetzten Seiten des pyroelektrischen Films 44 befestigt, wobei die Elektrode 52 von der Vertiefung 42 nach außen weist und die Infrarotstrahlung vom Projektionssystem 14 zuerst empfängt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die äußere Elektrode 52 schwarz, um eine hohe Abstrahlung und Absorption von-Infrarotstrahlung bereitzustellen, und die innere Elektrode 54 ist für Infrarotstrahlung opak und hochreflektierend. Alternativ kann die äußere Elektrode 52 für ferne Infrarotstrahlung transparent sein und kann die innere Elektrode 54 reflektierend sein, um ein höheres Geschwindigkeitsverhalten und eine höhere Empfindlichkeit bereitzustellen.
Bei der Zusammensetzung werden die Basis 40 und die Klemme 46 elektrisch verbunden, um eine Abschirmung für den pyroelektrischen Film 44 bereitzustellen. Die Basis 40 und die äußere Elektrode 52 sind durch die Masseleitung 56 an Masse gelegt. Die innere Elektrode 54 ist durch den Kontaktring 48 an den Leiterdraht 58 angeschlossen. Die Leiterdrähte 56, 58 verbinden die pyroelektrische Sensoranordnung 18 mit der elektronischen Schaltung 22. Der pyroelektrische Film 44 wird während des Herstellungsprozesses polarisiert, so daß die Polarität des ansprechend auf den Empfang der Infrarotstrahlung erzeugten Signals mit der verwendeten elektronischen Schaltung verträglich ist. Bei der erläuterten Ausführungsform wird der pyroelektrische Film geeignet polarisiert, so daß die innere Elektrode ansprechend auf eine positive Temperatutänderung ein negatives Signal erzeugt. Beim Betrieb mißt der pyroelektrische Sensor 18 eine Temperaturänderung und erzeugt ein elektrisches Signal, das auf diese hinweist.
Es wurde in der Praxis herausgefunden, daß pyroelektrische Sensoranordnungen 18, bei denen vorpolarisierte pyroelektrische Filme 44 eingesetzt werden, Infrarotsensoren aus dem Stand der Technik, bei denen beispielsweise geladene Polymerfilme, Thermoelemente, Thermosäulen oder dergleichen, eingesetzt werden, hinsichtlich der Kosten und der einfachen Herstellung erheblich überlegen sind. Insbesondere hat der Film 44 verglichen mit den Sensoren aus dem Stand der Technik eine verhältnismäßig große Fläche, beispielsweise in der Größenordnung von 1 cm², und er ist für Infrarotstrahlung empfindlich, die auf im wesentlichen jeden Teil dieser Fläche fällt. Dementsprechend benötigen die Infrarotthermometer gemäß der vorliegenden Erfindung keine Systeme zum Fokussieren von Infrarotstrahlung auf den Sensor, wie Fokussierungsrohre, Parabolspiegel, Linsen oder dergleichen. Hierdurch läßt sich eine erheblich einfachere Vorrichtung erzielen, wodurch wiederum die Gesamtkosten der Vorrichtung verringert werden und die Vorrichtung einfacher herzustellen wird.
Der Umgebungstemperatursensor 20 ist im thermischen Gleichgewicht mit dem pyroelektrischen Sensor 18, dem Projektionssystem 14 und dem Verschlußelement 66 in der Innenkammer 13 angebracht, um die Innentemperatur des Gehäuses 12 zu messen oder zu überwachen. Der Umgebungstemperatursensor 20 mißt die Innentemperatur des Gehäuses 12 und erzeugt ein dazu proportionales elektrisches Signal, das über den Verbinder 64 der elektronischen Schaltung 22 zugeführt wird. Annehmbare Temperaturwandler, die für diese Umgebungstemperaturmessung verwendet werden können, umfassen Thermistoren, Thermosäulen, Halbleiter usw. Es ist wichtig, daß der Umgebungstemperatursensor im Gegensatz zum schnell wirkenden pyroelektrischen Sensor verhältnismäßig langsam wirkend sein kann und lediglich eine Ansprechzeit haben muß, die ausreicht, um die Änderungen der inneren Umgebungstemperatur der Kammer 13 zu verfolgen.
Das Einwirken von durch das Projektionssystem 14 gerichteter Infrarotstrahlung auf den pyroelektrischen Film 44 wird durch die Verschlußanordnung 16 gesteuert. Die Verschlußanordnung 16 weist einen Verschluß 66, einen Verschlußsteuermechanismus 68 und eine manuell betätigte Drucktaste 70 auf. Der Verschluß 66 ist wirkungsmäßig am inneren Ende 33 des Projektionssystems 14 angebracht, um zwischen einer normalerweise geschlossenen Position, die die Übertragung von Infrarotenergie vorn Projektionssystem 14 auf den pyroelektrischen Sensor 18 sperrt, und einer offenen Position, die das Durchlaufen von Infrarotenergie vom Projektionssystem 14 zum pyroelektrischen Sensor 18 ermöglicht, betätigt werden zu können.
Der Verschlußsteuermechanismus 68 weist eine herkömmliche Konstruktion auf, welche eine hohe Verschlußöffnungsgeschwindigkeit im Bereich von 5-25 Millisekunden bereitstellt. Annehmbare herkömmliche Mechanismen umfassen einen mechanischen Auslösemechanismus, eine durch eine Magnetspule betätigte Einrichtung, eine Schrittmotoreinrichtung usw. Der Verschluß 66 wird durch Herunterdrücken der Drucktaste 70 in eine offene Position versetzt und bleibt ausreichend lange in der offenen Position, um zu ermöglichen, daß der pyroelektrische Sensor 18 das elektrische Signal ansprechend auf das Öffnen des Verschlusses erzeugt, wie nachstehend erklärt wird. Der Verschluß 66 wird nach etwa 200 Millisekunden in seine normalerweise geschlossene Position zurückgeführt. Eine mechanische Zeitsteuerungseinrichtung wird verwendet, um die Dauer zu steuern, in der sich der Verschluß 66 in der offenen Position befindet. Alternativ kann die Zeitsteuerungseinrichtung elektromechanisch sein.
Der Verschlußsteuermechanismus 68 weist Geräuschunterdrückungselemente und Stöße absorbierende Einrichtungen auf, um akustische Geräusche und andere mechanische Kräfte während des Verschlußöffnungsvorgangs zu verringern und die Genauigkeit des vom pyroelektrischen Sensor 18 erzeugten ansprechenden elektrischen Signals zu steuern. Weil der pyroelektrische Film 44 piezoelektrische Eigenschaften aufweist, können übermäßige akustische Geräusche oder mechanische Kräfte in dem ansprechend auf Temperaturänderungen vom pyroelektrischen Film 44 erzeugten elektrischen Signal schädliche Fehler und Rauschen erzeugen. Der Verschluß 66 ist so konfiguriert, daß er von seiner Außenfläche 72 zu seiner Innenfläche 74 eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweist, um zu verhindern, daß er zu einer von außen abhängigen Sekundärstrahlungsquelle für den pyroelektrischen Film 44 wird. Sowohl die Innenfläche als auch die Außenfläche des Verschlusses 66 sind reflektierend, um die Abstrahlung und die Erwärmung durch äußere Quellen zu Verringern. Der Verschluß 66 ist auch derart innerhalb der Kammer 13 angebracht, daß er sich in thermischem Gleichgewicht mit dem pyroelektrischen Sensor 18 befindet.
Die elektronische Schaltung 22 weist eine Verstärkerschaltung 50, einen Mikroprozessor oder eine Mikrosteuereinrichtung 76, einen Verschlußsensorschalter 77 und eine digitale Sichtanzeigevorrichtung 78 auf. Der Mikroprozessor 76 ist mit dem Umgebungstemperatursensor 20, der Verstärkerschaltung 60 und dem Verschlußsensorschalter 77 verbunden, um elektrische Eingangssignale zu empfangen, die die innere Umgebungstemperatur des Thermometergehäuses 12, das Betätigen der Verschlußanordnung 16 und die Temperaturdifferenz zwischen dem pyroelektrischen Sensor 18 und dem zu messenden Objekt angeben. Der Mikroprozessor 76 weist eine herkömmliche Konstruktion mit einem geeigneten Daten- und Programmspeicher auf, und er wird programmiert, um das elektrische Signal vom Umgebungstemperatursensor 20 und das verstärkte elektrische Signal vom pyroelektrischen Sensor 18 entsprechend der folgenden Beschreibung zu verarbeiten, um die zu messende absolute Temperatur des Körpers 11 zu berechnen. Auf der Grundlage der berechneten Temperatur des Gegenstands 11 erzeugt der Mikroprozessor 76 ein Steuersignal zum Ansteuern der Anzeigevorrichtung 78,, um die berechnete Temperatur sichtbar anzuzeigen.
Insbesondere ist die Amplitude des vom pyroelektrischen Sensor erzeugten elektrischen Signals eine nichtlineare Funktion der Differenz zwischen der zu messenden Temperatur des Gegenstands und der Temperatur des Sensors vor dem Einwirken der vom Gegenstand emittierten Strahlung, also der Differenz zwischen der Temperatur des Gegenstands und der Umgebungstemperatur des Thermofüeters. Die allgemeinen Eigenschaften dieser Funktion können hinsichtlich der Stefan- Bolzman-Gleichung für Strahlung und der Fourier-Gleichung für die Wärmeübertragung beschrieben werden. Diese beiden Gleichungen sind jedoch stark nichtlinear. Weiterhin gibt es keine bekannte analytische Beziehung zwischen der auf einen pyroelektrischen Film in der Art eines PVDF-Films fallenden Strahlungsmenge und der vom Film erzeugten Spannung.
Es wurde gemäß der vorliegenden Erfindung herausgefunden, daß ungeachtet dieser Nichtlinearitäten und des Fehlens einer analytischen Beziehung für die Filmausgabe die Temperatur eines Gegenstands unter Verwendung pyroelektrischer Filme durch die folgende Prozedur genau bestimmt werden kann. Zuerst wird die vom Film ansprechend auf Strahlung vom Gegenstand erzeugte Spannung Vir durch die folgende Formel genähert:
Vir = f(Ta)( - ) (1)
wobei T5 die absolute Temperatur des Gegenstands ist, Ta die vom Umgebungstemperatursensor 20 bestimmte absolute Umgebungstemperatur ist und f.(Ta) ein Polynom in Ta ist, nämlich
Als nächstes werden die Koeffizienten a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; usw. für die jeweilige Sensorkonstruktion und den Typ des verwendeten Films durch Messen von Vir für eine Reihe bekannter Ts-Werte und Ta-Werte bestimmt, wobei diese Werte in Gleichung 1 eingesetzt werden und der sich ergebende Satz simultaner Gleichungen nach den Polynominalkoeffizienten aufgelöst wird. Es wurde in der Praxis herausgefunden, daß zum Messen von Körpertemperaturen eine ausreichende Genauigkeit erreicht werden kann, wenn nur drei Terme verwendet werden, wenn also ein Polynom zweiter Ordnung in Ta verwendet wird. Für andere Anwendungen, bei denen eine größere Genauigkeit erforderlich sein mag, können weitere Terme verwendet werden, falls dies erwünscht ist.
Schließlich wird die zu messende Temperatur eines Gegenstands durch den Mikroprozessor 76 bestimmt, indem die folgende Gleichung unter Verwendung von Vir vom piezoelektrischen Sensor 18, Ta, die vom Umgebungssensor 20 abgeleitet wurde, und der Polynominalkoeffizienten a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; usw., die wie vorstehend beschrieben bestimmt wurden, ausgewertet wird:
Ts = (Vir/f(Ta) + )1/4
Der Mikroprozessor 76 ist auf diese Weise in die Lage versetzt, die erforderliche Analyse der elektrischen Signale vom Umgebungstemperatursensor und vom pyroelektrischen Sensor, einschließlich der geeigneten Skalierung, Korrektur usw. auszuführen, um die absolute Temperatur zu berechnen. Die berechnete Temperatur wird in ein digitales Format umgewandelt, um sie im Speicher zu speichern und um ein Steuersignal zum Ansteuern der Digitalanzeige zu erzeugen. Es wurde herausgefunden; daß Körpertemperaturen unter Verwendung der vorstehenden Prozedur und eines PVDF-Films in der Praxis mit dem Thermometer gemäß der vorliegenden Erfindung zuverlässig innerhalb von etwa 0,1ºC gemessen werden können.
Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung von Vir für eine als Beispiel dienende Temperaturmessung eines Objekts mit einer Temperatur, die größer ist als die innere Umgebungstemperatur des Thermometers. Wie angegeben ist, erreicht das pyroelektrische Sensorsignal (Vir) nach dem Öffnen des Verschlusses schnell sein Maximum oder seinen Spitzenwert und beginnt schnell abzufallen. Die Abfallsrate des Signals hängt von verschiedenen physikalischen Parametern des pyroelektrischen Films 44, wie der Dicke, der Abstrahlung, der thermischen Zeitkonstante usw., ab. Bei der dargestellten Ausführungsform spricht der Mikroprozessor 76 nur auf den absoluten Spitzenwert des pyroelektrischen Sensorsignals an, so daß der tatsächliche Zeitraum, den der Verschluß offen bleibt, nicht entscheidend ist, solange der Verschluß lange genug offen ist, um zu ermöglichen, daß das Signal seinen absoluten Spitzenwert erreicht. Wenn der gemessene Gegenstand eine die Umgebungstemperatur des Thermometers übersteigende Temperatur hat, ist der absolute Spitzenwert des Spannungssignals eine maximale Spannung, wie in Fig. 8 dargestellt ist, während der absolute Spitzenwert eine minimale Spannung ist, wenn der Gegenstand eine Temperatur hat, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur des Thermometers. Nachdem der Mikroprozessor 76 den Spitzenwert bestimmt hat, wird die Messung abgeschlossen, und der Mikroprozessor wird für weitere Eingangssignale vom pyroelektrischen Sensor unempfindlich oder spricht nicht auf diese an.
Alternativ kann der Mikroprozessor 76 programmiert werden, um die absolute Temperatur des Gegenstands durch Integration von Vir über einen vorgegebenen festen Zeitrahmen t&sub0; nach der folgenden Gleichung zu berechnen:
e = ki Virdt
wobei ki = a ein Kalibrierungsfaktor in 1/s ist.
Das Integrationsverfahren der Messungsberechnung ist widerstandsfähiger gegenüber hochfrequentem Rauschen, das vom pyroelektrischen Sensor aufgenommen werden kann, und es ist besonders vorteilhaft, wenn die zu messende Temperatur des Gegenstands verhältnismäßig nahe bei der Innentemperatur des Thermometers liegt.
Es ist wichtig zu bemerken, daß für das Verfahren des absoluten Spitzenwerts als auch für das Integrationsverfahren das gemessene Signal die Übergangs-Antwort des pyroelektrischen Films auf die Infrarotstrahlung ist, die den Film während der Zeit erreicht, zu der der Verschluß 66 offen ist, so daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Übergangs- Antwort des Films auf einen einzigen Impuls der Infrarotstrahlung das einzige ist, was gemessen wird. Dies steht in direktem Gegensatz zu Infrarotthermometern aus dem Stand der Technik, die entweder die Gleichgewichts-Antwort des Sensors gemessen haben oder einen Zerhacker verwendet haben, um die ankommende infrarotstrahlung in eine Reihe von Impulsen zu zerlegen und dann die Antwort des Sensors auf diese Impulse gemittelt haben. Durch Messen der Übergangs- Antwort hat das Thermometer gemäß der vorliegenden Erfindung eine kürzere Antwortzeit als Thermometer aus dem Stand der Technik, die auf das Erreichen eines Gleichgewichtszustands warten mußten, wobei es gemäß der vorliegenden Erfindung infolge der Verwendung nur eines einzigen Impulses nicht erforderlich ist, einen Zerhacker und eine Mittelungsschaltung einzusetzen, was die Herstellung einer weniger komplizierten und weniger kostspieligen Vorrichtung ermöglicht, die leichter herzustellen ist. Weiterhin wurde überraschenderweise herausgefunden, daß das Thermometer gemäß der vorliegenden Erfindung ungeachtet der Tatsache, daß nur ein einziger Infrarotstrahlungsimpuls gemessen wird, Körpertemperaturen beständig und genau mißt.
In Fig. 7 ist die Verstärkerschaltung 60 gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform erzeugt der pyroelektrische Sensor 18 ansprechend auf eine positive Temperaturänderung ein negatives Signal. Das pyroelektrische Sensorsignal wird über die Leitung 58 an den negativen Eingangsanschluß des Verstärkers 61 angelegt, und eine intern erzeugte Referenzspannung (Vref) wird an den positiven Eingangsanschluß angelegt. Vorzugsweise hat der Verstärker eine JFET- oder CMOS-Eingangsstufe und ist ein Strom-Spannungs-Wandler, dessen Eingangsimpedanz vom Vorspannungswiderstand 80 und dem Verhältnis der Widerstände 82, 84 abhängt. Der Kondensator 86 liefert eine negative Rückkopplung, um die Stabilität, des Verstärkers aufrechtzuerhalten und ein hochfrequentes Rauschen zu verringern. Der Kondensator 88 blockiert Niederfrequenzdrifts und Offset-Spannungen im Spannungsausgangssignal Vout, das durch eine Leitung 87 an den Eingang des Mikroprozessors 76 angelegt ist. Der Analogschalter 90 befindet sich vor dem Betätigen der Verschlußanordnung 16 normalerweise in einer geschlossenen Position, so daß die Verstärkerausgangsspannung der intern erzeugten Referenzspannung gleicht. Der Analogschalter 90 ist durch eine Leitung 92 an den Verschlußbetätigungssensorschalter 77 angeschlossen, der beim Betätigen der Verschlußanordnung 16 durch die Drucktaste 70 ein Hinweissignal erzeugt. Nach dem Betätigen der Verschlußanordnung bewirkt das vom Sensorschalter 77 erzeugte Hinweissignal das Öffnen des Analogschalters 90, und die Spannungsausgabe Vout ist dann das verstärkte Signal Vir vom pyroelektrischen Sensor 18, das sich ansprechend auf die Infrarotstrahlung vom zu messenden Gegenstand schnell ändert.
Beim Betrieb wird das äußere Ende des Projektionssystems 14 in einem Abstand neben dem zu messenden Gegenstand 11 angeordnet. Nach dem Betätigen der Drucktaste 70 und dem Öffnen des Verschlusses 66 wird Infrarotstrahlung vom Gegenstand 11 entlang dem Projektionssystem 14 auf den pyroelektrischen Film 44 des pyroelektrischen Sensors 18 gerichtet. Der pyroelektrische Film 44 erzeugt ein elektrisches Signal, das eine Funktion der von der Infrarotstrahlung vom Gegenstand 11 erzeugten Temperaturänderung ist. Auf der Grundlage der Umgebungstemperatur des Inneren des Thermometers, die vom Umgebungssensor 20 gemessen wird, und der Temperaturänderung der pyroelektrischen Sensoranordnung, die durch die den Sensor vom Gegenstand erreichende Infrarotstrahlung hervorgerufen wird, wird die Temperatur des Gegenstands vom Mikroprozessor 76 berechnet und auf der Digitalanzeige 78 angezeigt. Die Ansprechzeit des Thermometers ist verhältnismäßig kurz und liegt in der Größenordnung von 0,25 Sekunden. Wie anhand des vorstehend Erwähnten verständlich ist, wird eine schnelle Temperaturablesung mit einem berührungsfreien elektronischen Thermometer erhalten, das leicht zu verwenden und kostengünstig herzustellen ist. Eine andere Ausführungsform einer pyroelektrischen Sensoranordnung ist in Fig. 5 dargestellt und allgemein mit der Bezugszahl 19 bezeichnet, Der pyroelektrische Sensor 19 enthält einen Kontaktring oder einen Einsatz 48, der integriert mit einem Kontaktstift 58 ausgebildet ist, welcher sich durch den isolierenden Einsatz 50 erstreckt. Der pyroelektrische Film 44 ist zwischen dem Kontaktring 48 und der Klemme 46 geklemmt, wobei die Klemme 46 durch die Walzkanten 41 der Basis 40 an ihrem Ort gehalten wird. Die äußere Elektrode 52 ist durch die Klemme 46 und die Basis 40 an Masse gelegt, während die innere Elektrode 54 durch den Kontaktring 48 und den Kontaktstift 58 an die Verstärkerschaltung 22 anschließbar ist. Die restlichen Elemente wirken ähnlich wie die Ausführungsform aus Fig. 3 und brauchen nicht detailliert beschrieben zu werden. Die Konfiguration aus Fig. 5 ist für eine kostengünstige Herstellung mit hoher Stückzahl besonders geeignet und ermöglicht auch das Zusammensetzen des Thermometers 10, weil sie mit automatischen Herstellungsprozessen verträglich ist.
Weitere Ausführungsformen der pyroelektrischen Sensoranordnung sind in den Fig. 16-17 dargestellt. In Fig. 16 ist der Polymerfilm 44 mit den Elektroden 52 und 54 an seiner vorderen und hinteren Stirnfläche innerhalb eines nichtleitenden Gehäuses oder Trägers 150 angebracht. Der Film kann auf verschiedene Arten an dem Gehäuse angebracht werden, beispielsweise unter Verwendung von Klebstoff, durch Warmschweißen oder dergleichen. Zum Schützen des Films kann die vordere Stirnfläche des Sensors eine Abdeckung 163 aufweisen, die aus einem Material wie Polyethylen besteht, das für ferne Infrarotstrahlung transparent ist. Zum Ausgleichen des Drucks auf beiden Seiten des Films weist das Gehäuse 150 in seiner Rückwand vorzugsweise eine Öffnung 160 auf, die in den durch den Film und die Wände des Gehäuses gebildeten Hohlraum führt.
Zwei Kontakte 161 und 162 sind im Gehäuse 150 angeformt. Der Kontakt 162 ist mit der vorderen Elektrode 52 verbünden, und der Kontakt 161 ist mit der hinteren Elektrode 54 verbunden. Diese Verbindungen können durch physikalischen Kontakt oder durch ein leitendes Medium in der Art eines leitenden Epoxidharzes, beispielsweise Rgon, gebildet werden.
Fig. 17 zeigt eine modifizierte Version der Sensoranordnung aus Fig. 16, wobei der Umgebungssensor 20 im selben Gehäuse 164 wie der Polymerfilm 44 angebracht ist. Insbesondere ist der Umgebungssensor 20 in dem durch den Film 44 und die Wände des Gehäuses 164 gebildeten Hohlraum angebracht. Auf diese Weise wird eine bessere thermische Kopplung zwischen dem Film und dem Umgebungstemperatursensor erreicht.
In Fig. 9 ist eine optionale Kalibrierungsschaltung 94 zum Kalibrieren des pyroelektrischen Sensorsignals dargestellt, die dazu dient, mögliche Änderungen infolge einer Materialalterung, Temperaturdrifts, Instabilitäten elektronischer Bauteile usw., die bei der Temperaturmessung unannehmbare Fehler erzeugen können, zu kompensieren. Der pyroelektrische Film 44 hat piezoelektrische Eigenschaften, die notwendigerweise den gleichen Umgebungsfaktoren (wie der Materialalterung, der Temperatur usw.) unterliegen wie seine pyroelektrischen Eigenschaften. Folglich kann die Kalibrierung durch eine elektrische Kalibrierung, d. h. eine Piezo- Kalibrierung, im Gegensatz zu einer thermischen Kalibrierung, d. h. einer Pyro-Kalibrierung, erreicht werden. Durch das Anwenden eines vorgegebenen Referenzsignals auf den piezoelektrischen und pyroelektrischen Film wird an einem Teil des Films eine mechanische Spannung oder Auslenkung erzeugt, welche in dem anderen Teil des Films gemessen werden kann, weil dadurch ein Antwortsignal erzeugt wird. Demgemäß wird das Kalibrieren durch Anwenden eines vorgegebenen elektrischen Kalibrierungssignals vor jeder Temperaturmessungsberechnung auf den pyroelektrischen Film erreicht, um ein Antwortsignal zu erzeugen. Das Antwortsignal wird bei der Temperaturberechnung vom Mikroprozessor als ein Korrekturfaktor verwendet.
Wie in Fig. 9 dargestellt ist, besteht die äußere planare Elektrode 96 auf der nach außen weisenden Fläche des pyroelektrischen Films 44 aus zwei getrennten und beabstandeten Elektrodensegmenten 98, 100. Das Elektrodensegment 100 ist mit der Verstärkerschaltung 60 verbunden. Das Elektrodensegment 98 ist mit einem Schalter 102 verbunden, der das Elektrodensegment 98 alternierend mit der Verstärkerschaltung 60 oder einer Erregungssignalschaltung 104 verbindet.
Die Erregungsschaltung 104 ist herkömmlich aufgebaut, um ein vorgegebenes elektrisches Kalibrlerungssignal 106 zu erzeugen, das den piezoelektrischen Film zum Erzeugen einer mechanischen Spannung und eines elektrischen Antwortsignals 108 (Fig. 10) erregen kann. Der Wert des elektrischen Antwortsignals zur Zeit des Zusammensetzens und der anfänglichen Kalibrierung des Thermometers 10 bildet einen vorgegebenen Standard und wird im Speicher gespeichert. Der Schalter 102 und die Erregungssignalschaltung 104 werden vom Mikroprozessor 76 gesteuert, und die Erregungssignalschaltung erzeugt nach einem Befehl vom Mikroprozessor 76 während des Kalibrierungsvorgangs ein vorgegebenes elektrisches Kalibrierungssignal 106.
Der Kalibrierungsvorgang wird ausgeführt, wobei sich der Verschluß 66 in einer geschlossenen Position befindet, wie in Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Vor dem Öffnen des Verschlusses 66 verbindet der Schalter 102 das Elektrodensegment 98 mit der Signalerregungsschaltung 104, und das vorgegebene elektrische Signal 106 wird an die Elektrode 98 angelegt. Infolge der piezoelektrischen Eigenschaften des pyroelektrischen Films 44 wird hierdurch eine mechanische Spannung hervorgerufen, welche wiederum bewirkt, daß der piezoelektrische Film 44 in der Elektrode 96 ein elektrisches Antwortsignal 108 erzeugt, das über das Elektrodensegment 100 zur Verstärkerschaltung 60 übertragen wird. Weil das Kalibrierungssignal für die mechanische Spannung einen vorgegebenen Wert aufweist, weisen Abweichungen des Antwortsignals 108 auf Änderungen des pyroelektrischen Sensors 18 hin, und der Grad der Abweichung vom vorgegebenen Standard liefert die erforderlichen Kalibrierungsinformationen für eine geeignete Korrektur durch den Mikroprozessor 76. Unmittelbar nach dem Kalibrierungsvorgang verbindet der Schalter 102 das Elektrodensegment 98 mit der Verstärkerschaltung 60, wodurch die infrarotempfindliche Fläche des Films verdoppelt wird, und der Temperaturmeßvorgang wird dann ausgeführt, wie vorstehend mit Bezug auf die Ausführungsform aus den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.
Vorzugsweise wird die Kalibrierung unmittelbar vor jedem Meßvorgang ausgeführt, um eine zuverlässige und genaue Messung der absoluten Temperatur zu gewährleisten. Jegliche Änderungen der pyroelektrischen Eigenschaften des pyroelektrischen Films 44 infolge des Alterns, der Umgebung usw. werden vom Mikroprozessor 76 beim Berechnen der absoluten Temperatur des Gegenstands automatisch kompensiert.
In den Fig. 11 und 12 sind alternative Ausführungsformen der planaren Elektrodensegmente 98, 100 dargestellt. In Fig. 11 sind die Elektrodensegmente 98, 100 auf der nach innen weisenden Fläche des pyroelektrischen Films 44 ineinander verzahnt angeordnet. In Fig. 12 verläuft das Elektrodensegment 98 koaxial zum Elektrodensegment 100, und das Elektrodensegment 98 kann permanent mit dem Erregungsnetzwerk 104 verbunden sein, wodurch der Schalter 102 überflüssig gemacht wird. Der thermisch empfindliche Bereich des pyroelektrischen Films 44 ist dann jedoch auf das Elektrodensegment 100 beschränkt.
In Fig. 13 ist eine alternative Konfiguration zum Kalibrieren der pyroelektrischen Sensoranordnung 18 dargestellt. Bei dieser Konfiguration wird ein Heizelement 108 von einer Steuereinrichtung 110 gesteuert, um auf Anweisung vom Mikroprozessor 76 einen vorgegebenen stabilen Infrarotstrahlungspegel bereitzustellen.
Die Innenfläche des Verschlusses 66 weist eine reflektierende Platte 114 auf, die mit dem Heizelement 108 und dem pyroelektrischen Sensor 18 ausgerichtet ist, um den Infrarotstrahl 112 vom Heizelement 108 auf die pyroelektrische Sensoranordnung zu reflektieren. Der erzeugte Strahl 112 der Infrarotstrahlung ist unter Betriebsbedingungen notwendigerweise stabil. Das vom pyroelektrischen Sensor ansprechend auf den Infrarotstrahl 112 erzeugte elektrische Signal führt dem Mikroprozessor 76 ein Referenzsignal zu, um ihm zu ermöglichen, den bei der folgenden Temperaturmeßberechnung erforderlichen Korrekturbetrag zu berechnen. Wiederum wird der Kalibrierungsvorgang ausgeführt, wobei sich der Verschluß 66 in einer geschlossenen Position befindet, und der Kalibrierungsvorgang wird vorzugsweise vor jedem Temperaturmeßvorgang ausgeführt.
Alternativ kann der Mikroprozessor 76 mit einer vorgegebenen Tabelle von Fehlerkorrekturdaten auf der Grundlage der bekannten Fehlerquellen und Änderungen des Ansprechverhaltens des pyroelektrischen Films versehen werden. Der Mikroprozessor wird so programmiert, daß er die berechnete absolute Temperatur entsprechend den Fehlerkorrekturdaten anpaßt.
Es wird verständlich geworden sein, daß ein neues und verbessertes berührungsfreies elektronisches Thermometer bereitgestellt worden ist, das genau, zuverlässig und kostengünstig herzustellen ist. Beim Betrieb ist das elektronische Thermometer kompakt und leicht verwendbar, und es mißt die absolute Temperatur eines Objekts praktisch augenblicklich.
In den Fig. 14 und 15 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Art eines Wärmedifferenzdetektors 130 zum Erfassen warmer Stellen auf einer Oberfläche dargestellt. Die Erfassung warmer Stellen ist häufig erwünscht, um Knochenbrüche, Gewebsentzündungen usw. zu lokalisieren. Der Wärmedetektor 130 weist im allgemeinen ein Gehäuse, ein Projektionssystem 14, eine pyroelektrische Sensoranordnung 18 mit einem pyroelektrischen Film 44, eine elektrische Schaltung 22 und ein Hinweislicht 116 auf.
Das Projektionssystem 14 und der pyroelektrische Sensor 18 funktionieren, wie vorstehend mit Bezug auf die Ausführungsform aus Fig. 1 beschrieben wurde. Die elektronische Schaltung 22 beinhaltet im allgemeinen einen Verstärker 60, einen Vergleicher 118 und eine Hinweisschaltung 120. Die Ausgabe des Verstärkers 60 wird über einen Kondensator 122 dem Vergleicher 118 zugeführt. Der Schwellenwert des Vergleichers kann durch das Potentiometer 124 geändert werden. Ein Drucktasten-Rücksetzschalter 126 ermöglicht das Entladen des Kondensators 122 zur Masse. Die Hinweisschaltung 120 ist mit dem Vergleicher 118 verbunden und steuert das Hinweislicht 116 oder eine andere geeignete Hinweiseinrichtung in der Art eines Tongenerators usw. an.
Beim Betrieb wird der Kondensator 122 durch ein momentanes Betätigen des Schalters 126 vor Beginn des Meßvorgangs entladen. Zum Messen oder Erfassen einer warmen Stelle, wie beispielsweise der warmen Stelle 128 auf der in Fig. 14 dargestellten Hautoberfläche 131, wird der Wärmedetektor so positioniert, daß das offene Empfangsende 32 des Projektionssystems 14 neben der Oberfläche 131 liegt. Der Wärmedetektor 130 wird dann mit einer in etwa konstanten Geschwindigkeit entlang der Oberfläche bewegt. Wenn die warme Stelle 128 in das Gesichtsfeld des Projektionssystems 14 eintritt, bewirkt die Erhöhung der Infrarotstrahlung von der warmen Stelle 128, daß der pyroelektrische Sensor 18 ein elektrisches Hinweissignal erzeugt. Das verstärkte elektrische Signal wird an den Vergleicher 118 angelegt, und wenn das elektrische Signal den festgelegten Schwellenwert des. Vergleichers übersteigt, wird die Hinweisschaltung 120 betätigt, um das Hinweislicht 116 anzusteuern. Der Schwellenwertpunkt des Vergleichers kann abhängig von der jeweiligen Wärmemeßanwendung geändert werden. Dementsprechend wird ein Wärmedetektor bereitgestellt, der bequem und einfach zu verwenden ist und der kostengünstig herzustellen ist.
Wie Fachleuten verständlich sein wird, werden verschiedene Modifikationen und Anpassungen der vorstehend beschriebenen Struktur leicht verständlich werden, ohne vom in den anliegenden Ansprüchen definierten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Thermometer, aufweisend:

ein Gehäuse (12),

einen pyroelektrischen Sensor (18), der im Gehäuse (12) gehalten ist und auf Infrarotstrahlung anspricht, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das aufgrund eines Empfangs der genannten Strahlung eine Übergangs-Antwort zeigt, eine Richtungseinrichtung (14), die von dem Gehäuse (12) gehalten wird und auf den Sensor (18) optisch ausgerichtet ist, um Infrarotstrahlung von einem Objekt (11) auszurichten, dessen tatsächliche Temperatur gemessen werden soll, so daß jene auf den Sensor (18) einfällt, wobei die Richteinrichtung (14) einen länglichen Wellenleiter (14) vorbestimmter Länge mit einem äußeren Ende (32) zum Empfang von Infrarotstrahlung von dem zu messenden Objekt und einem inneren Ende (33) in betriebsmäßiger Ausrichtung zu dem Sensor (18), wobei der Wellenleiter (14) mit dem Sensor (18) so verbunden ist, daß er sich mit diesem im thermischen Gleichgewicht befindet, und eine gleichmäßige glänzende Innenfläche (30) niedriger Abstrahlung aufweist, um die Übertragung von Infrarotstrahlung zu erleichtern,

eine Freigabeeinrichtung (16), die von dem Gehäuse (12) gehalten wird, um eine Antwort des Sensors (18) auf die Strahlung zu bewirken, und

eine elektrische Einrichtung (22), die von dem Gehäuse (12) gehalten wird und auf die Übergangs-Antwort des genannten Signals anspricht, um das Signal zu verarbeiten und eine Angabe der tatsächlichen Temperatur des Objekts (11) zu erzeugen.

2. Thermometer nach Anspruch 1, wobei die Richteinrichtung (14) selbst eine geringe Infrarotstrahlungs-Abstrahlung aufweist, um ihren Beitrag zur auf den Sensor (18) gerichteten Strahlung zu reduzieren.

3. Thermometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Richteinrichtung (14) eine wesentliche thermische Isolation von Umgebungs-Wärmequellen aufweist, die sich außerhalb der Richteinrichtung (14) befinden.

4. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (18) ein pyroelektrisches Element (44) darstellt, das zwischen eine in Gebrauch dem Objekt (11) zugewandte erste Elektrode (52) und eine zweite Elektrode (54) auf der gegenüberliegenden Fläche des Elements gepackt ist, wobei die erste Elektrode (52) die Eigenschaft hoher Abstrahlung und Absorption der genannten Infrarotstrahlung aufweist.

5. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (18) ein pyroelektrisches Element (44) ist, das zwischen eine im Gebrauch dem genannten Objekt (11) zuwandte erste Elektrode (52) und eine zweite Elektrode (54) auf der gegenüberliegenden Fläche des Elements gepackt ist, wobei die zweite Elektrode (54) gegenüber der Infrarotstrahlung opak und hochreflektiv ist.

6. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (18) ein pyroelektrisches Element (44) ist, das zwischen eine in Gebrauch dem genannten Objekt (11) zugewandte erste Elektrode (52) und eine zweite Elektrode (54) auf der gegenüberliegenden Fläche des Elements gepackt ist, wobei die erste Elektrode (52) gegenüber ferner Infrarotstrahlung transparent und die zweite Elektrode (54) im wesentlichen reflektiv demgegenüber ist.

7. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Richteinrichtung (14) so eingerichtet ist, daß sie Infrarotstrahlung von dem Objekt innerhalb eines bestimmten Sichtwinkels abgibt und den Einfall der Strahlung auf den Sensor (18) über einen relativ weiten Bereich erlaubt.

8. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Einrichtung (22) nach Empfang der Übergangs-Antwort automatisch gegenüber weiteren Eingangssignalen von dem Sensor (18) unempfindlich wird.

9. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Einrichtung (22) eine Einrichtung zur Berechnung der absoluten Temperatur des Objekts durch Integration des Antwortpegels über einen festgelegten Zeitrahmen beinhaltet.

10. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (18) den genannten Übergang in Antwort auf einen einzigen Impuls der genannten Strahlung zeigt und die elektrische Einrichtung (22) lediglich auf den genannten einen Impuls antwortet.

11. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (18) innerhalb des Gehäuses (12) befestigt ist, und das Gehäuse (12) eine Einrichtung (150, 160) zum Ausgleich des Drucks auf beiden Seiten des Sensors (18) beinhaltet.

12. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von dem Gehäuse (12) ein Heizelement (108) in einer Position gehalten wird, so daß Wärme an den Sensor (18) abgegeben und ein stabiler Infrarotpegel zur Kalibrierung auf den Sensor gebracht wird, und die elektrische Einrichtung (22) auf den von dem Heizelement (108) erwärmten Sensor (18) anspricht.

13. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Einrichtung (22) einen Mikroprozessor (76) mit einem elektrischen Speicher aufweist, der eine vorbestimmte Tabelle von Korrekturdaten entsprechend bekannten möglichen Fehlerquellen und Änderungen im Ansprechverhalten des Sensors (18) enthält, und die elektrische Einrichtung (22) so programmiert ist, daß die berechnete absolute Temperatur des Objekts (11) entsprechend den Korrekturdaten eingestellt wird.

14. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Richteinrichtung (14) eine Einrichtung (36) auf der äußeren Fläche (34) zum thermischen Isolieren der äußeren Fläche von äußeren Umgebungswärmequellen aufweist.

15. Thermometer nach Anspruch 14, wobei die genannte Einrichtung (36) zur thermischen Isolierung eine Wärmeisolierbeschichtung auf der äußeren Fläche aufweist.

16. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (18) auf ein vorbestimmtes elektrisches Kalibrierungssignal anspricht,

die elektrische Einrichtung (22) eine Einrichtung zum Anlegen des elektrischen Kalibrierungssignals an den Sensor aufweist, und

die elektrische Einrichtung (22) auf die Sensorausgabe anspricht, indem die Berechnung der tatsächlichen Temperatur korrigiert wird.

17. Thermometer nach Anspruch 16, wobei die elektrische Einrichtung (22) eingerichtet ist, die Empfindlichkeitsfläche des Sensors (18) auf die Strahlung aufgrund eines Ansprechens auf das Kalibrierungssignal um einen vorbestimmten Betrag zu erhöhen.

18. Thermometer nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Sensor (18) ein pyroelektrisches Element (44) darstellt, das zwischen eine dem Objekt (11) zugewandte erste Elektrode (52) und eine auf der gegenüberliegenden Fläche des Elements vorgesehenen zweite Elektrode (54) gepackt ist, und wobei eine der Elektroden (52, 54) zwei getrennte Elektrodensegmente 98, 100) mit Abstand voneinander aufweist, die in der genannten Anlegeinrichtung enthalten sind.

19. Thermometer nach Anspruch 18, mit einer Einrichtung (102) zur Verbindung der Segmente (98, 100) miteinander vor dem Ansprechen des Sensors (18) auf die genannte Strahlung.

20. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (20), die von dem Gehäuse (12) gehalten wird und auf die Umgebungstemperatur des Sensors (18) vor dem anfänglichen Empfang der genannten Strahlung anspricht, um ein anderes elektrisches Signal zu erzeugen, das die Umgebungstemperatur darstellt, und wobei die elektrische Einrichtung (22) das genannte andere Signal verarbeitet, um die tatsächliche Temperatur des Objekts zu berechnen.

21. Thermometer nach Anspruch 20, wobei das Gehäuse eine Innenkammer festlegt, und die genannte Umgebungstemperatureinrichtung (20) ebenfalls innerhalb der Kammer im thermischen Gleichgewicht mit dem Sensor (18) angeordnet ist.

22. Thermometer nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Umgebungstemperatureinrichtung (20) ihr elektrisches Signal in einer langsamen Antwort im Vergleich zur Antwort des Sensors (18) auf die genannte Strahlung zeigt.

23. Thermometer nach Anspruch 20, 21 oder 22, wobei die Umgebungstemperatureinrichtung (20) innerhalb eines im Inneren des Gehäuses (164) durch den Sensor (18) festgelegten Hohlraums angebracht ist.

24. Thermometer nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Temperatur des zu messenden Objekts von der elektrischen Einrichtung (22) unter Verwendung folgender Formel berechnet wird:

Ts = [Vir/f(Ta) + ]1/4,

wobei Ts die absolute Temperatur des zu messenden Objekts, Vir das von dem Sensor erzeugte erste elektrische Signal, Ta die absolute Umgebungstemperatur, die von der elektrischen Einrichtung aus dem von der Umgebungstemperatureinrichtung erzeugten anderen elektrischen Signal bestimmt wird, und f(Ta) ein Polynom von Ta darstellt, das wie folgt gegeben ist:

f(Ta) = a&sub0; + a&sub1;Ta + a&sub2;Ta&sub2; + a&sub3;Ta + ...

wobei die Polynomialkoeffizienten a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;... bestimmt werden, indem der Sensor bei bekannter Umgebungstemperatur Objekten mit bekannter Temperatur ausgesetzt wird.

25. Thermometer nach Anspruch 24, wobei das Signal Vir unter Verwendung der folgenden Formel angenähert wird:

Vir = f(Ta)( - )

26. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Freigabeeinrichtung (16) aufweist:

einen Verschluß (66), der von dem Gehäuse (12) gehalten wird und zwischen einer ersten Stellung, in der eine Übertragung der Strahlung von der Richteinrichtung (14) auf den Sensor (18) blockiert ist, und einer zweiten Stellung, die den Durchgang der Strahlung auf den Sensor erlaubt, bewegbar ist, eine Einrichtung (68) zum Bewegen des Verschlusses (66) zwischen der ersten und der zweiten Stellung, und

eine Einrichtung (70) zum Steuern der Bewegung des Verschlusses (66)-, um eine Antwort des Sensors (18) auf die genannte Strahlung freizugeben und die genannte Übergangsantwort auf den Empfang der Strahlung zu bewirken.

27. Thermometer nach Anspruch 26, wobei die Steuereinrichtung (70) eine Bewegung des Verschlusses (6) in die erste Stellung im wesentlichen nach einem Ende der Übergangsantwort freigibt.

28. Thermometer nach Anspruch 26 oder 27, wobei die Steuereinrichtung (68) eine Einrichtung zum Unterdrücken und Absorbieren eines Geräuschs und eines Stoßes aufweist, die bei Bewegung des Verschlusses (66) zwischen der ersten und der zweiten Stellung auftreten.

29. Thermometer nach Anspruch 26, 27 oder 28, wobei das Gehäuse (12) eine Innenkammer (13) aufweist, in der der Sensor (18) enthalten ist, und der Verschluß (66) im thermischen Gleichgewicht mit dem Sensor (18) angebracht ist.

30. Thermometer nach einem der Ansprüche 26 bis 29, mit einer Einrichtung, um der elektrischen Einrichtung (22) Eingabesignale zu liefern, die die Umgebungstemperatur des Sensors (18) angeben, und wobei die Betätigung des Verschlusses (66) die Berechnung des Temperaturdifferentials zwischen dem Sensor (18) und dem Objekt ermöglicht.

31. Thermometer nach einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei die elektrische Einrichtung (22) eine Einrichtung zur Antwort auf eine Betätigung des Verschlusses (66) aufweist, um ein Angabesignal zu liefern, das bewirkt, daß die Übergangsantwort gemessen wird.

32. Thermometer nach einem der Ansprüche 26 bis 31, wobei der Verschluß (66) eine geringe thermische Leitfähigkeit zwischen einer ersten Fläche (72), die der Richteinrichtung (14) zugewandt ist, und einer zweiten Fläche (74), die dem Sensor (18) zugewandt ist, aufweist.

33. Thermometer nach Anspruch 32, wobei beide Flächen (72, 74) des Verschlusses (66) gegenüber der genannten Strahlung reflektiv sind.

34. Verfahren zur Messung der Temperatur eines Objekts mit einem Thermometer, das ein Gehäuse (12) aufweist, innerhalb des Gehäuses einen pyroelektrischen Sensor (18) zum Ansprechen auf Infrarotstrahlung zur Erzeugung eines elektrischen Signals trägt, das bei Empfang der genannten Strahlung von dem Objekt entlang eines länglichen Wellenleiters mit einer glatten und glänzenden Innenfläche niedriger Abstrahlung zur leichteren Übertragung von Infrarotstrahlung und einer Außenfläche vorbestimmter Länge zum Empfang der genannten Infrarotstrahlung von dem Objekt innerhalb des Leiters durch dessen äußeres Ende (32) eine Übergangsantwort zeigt, wobei sichergestellt wird, daß der Leiter wirksam auf den Sensor (18) ausgerichtet ist, der Wellenleiter zur Verbindung mit dem Sensor angeordnet wird, so daß sich dieser im thermischen Gleichgewicht mit jenem befindet, eine vom Gehäuse gehaltene Freigabeeinrichtung verwendet wird, um eine Antwort des Sensors (18) auf die genannte Strahlung zu bewirken, und eine elektrische Einrichtung (22) freigegeben wird, die vom Gehäuse gehalten wird und auf die Übergangsantwort des Signals anspricht, um das Signal unter Gewinnung einer Angabe der tatsächlichen Temperatur des Objekts zu verarbeiten.

35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Temperatur des zu messenden Objekts unter Verwendung folgender Gleichung berechnet wird:

Ts = [Vir/f(Ta) + ]1/4,

wobei T5 die absolute Temperatur des zu messenden Objekts darstellt, Vir das von dem pyroelektrischen Sensor (18) erzeugte erste elektrische Signal ist, Ta die aus dem zweiten elektrischen Signal bestimmte absolute Umgebungstemperatur ist, und f(Ta) ein Polynom von Ta ist, das durch folgende Gleichung gegeben ist:

f(Ta) = a&sub0; + a&sub1;Ta + a&sub2;&sub2; + a&sub3;Ta + ...

wobei die Polynomialkoeffizienten a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;... bestimmt werden, indem der Sensor bei bekannter Umgebungstemperatur Objekten mit bekannten Temperaturen ausgesetzt wird.

36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Signal Vir unter Verwendung folgender Formel angenähert wird:

Vir = f(Ta)( - )

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei die Empfindlichkeit des pyroelektrischen Sensors (18) kalibriert wird, bevor dieser wahlweise Infrarotstrahlung von dem zu messenden Objekt ausgesetzt wird.

38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei der pyroelektrische Sensor (18) zur Darstellung piezoelektrischer Eigenschaften eingerichtet und seine Empfindlichkeit kalibriert wird, mit folgenden Schritten:

Anlegen eines vorbestimmten Kalibrierungssignals an den pyroelektrischen Sensor, um zu bewirken, daß dieser ein elektrisches Antwort-Kalibrierungssignal erzeugt, und

Korrigieren des von dem pyroelektrischen Sensor erzeugten ersten elektrischen Signals aufgrund des elektrischen Antwort-Kalibrierungssignals und eines vorbestimmten Standardwerts.

39. Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Kalibrierung der Empfindlichkeit des pyroelektrischen Sensors (18) folgende Schritte aufweist:

Anlegen eines vorbestimmten Pegels Infrarotstrahlung an den pyrdelektrischen Sensor, um zu bewirken, daß dieser ein elektrisches Antwort-Kalibrierungssignal erzeugt, und