DE9422203U1 - Device for measuring temperature using infrared techniques - Google Patents
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Description
Anmelder; 10. August 1998 Applicant; 10 August 1998
1614G101 CS-km
Omega Engineering, Inc.
One Omega Place
Stamford, CT 06907
U.S.A.1614G101 CS-km
Omega Engineering, Inc.
One Omega Place
Stamford, CT 06907
USA
Vorrichtung zum Messen der Temperatur unter Verwendung von Infrarot-TechnikenDevice for measuring temperature using infrared techniques
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung zum genaueren Messen der Temperatur einer Oberfläche unter Verwendung von Infrarot-Meßtechniken und betrifft insbesondere eine solche Vorrichtung, die einen umschreibenden Laserzielstrahl oder -strahlen zum deutlicheren Definieren des Umfangs der Energiezone verwendet, aus der die Temperatur zu messen ist. Allgemein gesagt wird dies erreicht, indem man den Laserstrahl um den Umfang der Energiezone drehen läßt; indem man zwei oderThe present invention relates generally to an apparatus for more accurately measuring the temperature of a surface using infrared measurement techniques, and more particularly to such an apparatus which uses a circumscribing laser aiming beam or beams to more clearly define the perimeter of the energy zone from which the temperature is to be measured. Generally speaking, this is achieved by allowing the laser beam to rotate around the perimeter of the energy zone; by using two or
mehr stationäre Laserstrahlen verwendet, die auf den Umfang der Energiezone fokussiert sind; oder durch die Verwendung eines gesteuerten einzelnen Laserstrahls, der auf zwei oder mehr vorbestimmte Orte am Umfang der Energiezone gerichtet wird.multiple stationary laser beams focused on the perimeter of the energy zone; or by using a controlled single laser beam directed at two or more predetermined locations on the perimeter of the energy zone.
Vorrichtungen zum Messen der Temperatur mittels Infrarotstrahlung von einem entfernten Ort (die gemeinhin als Infrarot-Pyrometer oder als Radiometer bezeichnet werden) werden seit vielen Jahren dazu verwendet, die Temperatur einer Oberfläche von einem entfernten Ort zu messen. Das Arbeitsprinzip dieser Vorrichtungen ist wohl bekannt. Alle Oberflächen mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt emittieren Wärme in Form von Strahlungsenergie. Diese Strahlungsenergie wird erzeugt durch Molekularbewegungen, die elektromagnetische Wellen erzeugen. Somit wird ein gewisser Teil der Energie in dem Material in geraden Linien von der Oberfläche des Materials weg abgestrahlt. Viele Infrarot-Radiometer verwenden optische Reflexions- und/oder Refraktions-Prinzipien, um die abgestrahlte Energie bzw. Strahlungsenergie von einer vorgegebenen Oberfläche einzufangen. Die Infrarotstrahlung wird auf einen Detektor fokussiert, analysiert und unter Verwendung wohl bekannter Techniken wird die Oberflächenenergie gesammelt, verarbeitet und die Temperatur wird berechnet und auf einer geeigneten Anzeige angezeigt.Devices for measuring temperature using infrared radiation from a remote location (commonly referred to as infrared pyrometers or radiometers) have been used for many years to measure the temperature of a surface from a remote location. The principle of operation of these devices is well known. All surfaces with a temperature above absolute zero emit heat in the form of radiant energy. This radiant energy is generated by molecular motions which generate electromagnetic waves. Thus, some of the energy in the material is radiated in straight lines away from the surface of the material. Many infrared radiometers use optical reflection and/or refraction principles to capture the radiated energy or radiant energy from a given surface. The infrared radiation is focused on a detector, analyzed and using well-known techniques, the surface energy is collected, processed and the temperature is calculated and displayed on a suitable display.
Beispiele derartiger Infrarot-Radiometer sind gezeigt auf den Seiten J-I bis J-42 des Omega Engineering Handbook, Band 2B. Siehe auch US-Patent Nr. 4,417,822, das am 29. November 1983 an Alexander Stein et al. für ein Laser-Radiometer erteilt worden ist; das US-Patent Nr. 4,527,896, das am 9. Juli 1985 an Keikhosrow Irani et al. für einen Infrarotwandler/Sender zur beruh-Examples of such infrared radiometers are shown on pages JI through J-42 of the Omega Engineering Handbook , Volume 2B. See also U.S. Patent No. 4,417,822 issued November 29, 1983 to Alexander Stein et al. for a laser radiometer; U.S. Patent No. 4,527,896 issued July 9, 1985 to Keikhosrow Irani et al. for an infrared transducer/transmitter based on
rungslosen Temperaturmessung erteilt wurde; und das US-Patent Nr. 5,169,235, das am 8. Dezember 1992 an Hitoshi Tominaga et al. für ein Thermometer vom Strahlungstyp erteilt wurde. Siehe auch Baker, Ryder and Baker, Band II, Temperature Measurement in Engineering, Omega Press, 1975, Kapitel 4 und 5.and U.S. Patent No. 5,169,235 issued on December 8, 1992 to Hitoshi Tominaga et al. for a radiation-type thermometer. See also Baker, Ryder and Baker, Volume II, Temperature Measurement in Engineering , Omega Press, 1975, Chapters 4 and 5.
Wenn solche Radiometer verwendet werden, um die Oberflächentemperatur zu messen, wird das Gerät bzw. Instrument auf ein Ziel oder einen "Fleck" innerhalb der Energiezone an der Oberfläche gezielt bzw. gerichtet, an der die Messung vorzunehmen ist. Das Radiometer empfängt die emittierte Strahlung durch das optische System und fokussiert diese auf einen infrarot-empfindlichen Detektor, der ein Signal erzeugt, das intern verarbeitet und in einen Temperaturmeßwert umgewandelt wird, der angezeigt wird.When such radiometers are used to measure surface temperature, the instrument is aimed at a target or "spot" within the energy zone on the surface where the measurement is to be made. The radiometer receives the emitted radiation through the optical system and focuses it onto an infrared-sensitive detector, which produces a signal that is internally processed and converted into a temperature reading that is displayed.
Der genaue Ort der Energiezone an der Oberfläche als auch deren Größe sind außerordentlich wichtig, um die Genauigkeit und Verläßlichkeit der sich ergebenden Messung zu gewährleisten. Es versteht sich, daß das Blickfeld ("field of view" FOV) der optischen Systeme derartiger Radiometer so ist, daß der Durchmesser der Energiezone direkt mit der Distanz zu dem Ziel ansteigt. Die typische Energiezone derartiger Radiometer ist so definiert, daß sie jene Fläche aufweist, von der 90 % der auf den Detektor fokussierten Energie herstammt. Bislang sind keine Mittel zum genauen Bestimmen der Größe der tatsächlichen Energiezone bekannt gewesen, mit der Ausnahme deren näherungsweiser Bestimmung durch die Verwendung einer "Distanz zu Ziel Tabelle" oder durch eine tatsächliche physikalische Messung.The precise location of the energy zone on the surface as well as its size are extremely important to ensure the accuracy and reliability of the resulting measurement. It is understood that the field of view (FOV) of the optical systems of such radiometers is such that the diameter of the energy zone increases directly with the distance to the target. The typical energy zone of such radiometers is defined to be the area from which 90% of the energy focused on the detector originates. To date, no means have been known to accurately determine the size of the actual energy zone, except for its approximation by using a "distance to target table" or by actual physical measurement.
Die Zielgröße und die Distanz sind kritisch für die Genauigkeit der meisten Infrarot-Thermometer. Jedes Infrarot-Meßgerät be-The target size and distance are critical to the accuracy of most infrared thermometers. Each infrared measuring device has
sitzt ein Blickfeld, einen Sichtwinkel, innerhalb dessen die Temperaturen, die das Gerät durch dieses Blickfeld sieht, sämtlich gemittelt werden. Das Blickfeld wird entweder durch seinen Winkel beschrieben oder durch ein Verhältnis von Distanz zu Größe (D:S). Wenn der Wert von D:S = 20:1 beträgt und wenn die Distanz zu dem Objekt dividiert durch den Durchmesser des Objektes exakt 20 beträgt, dann füllt das Objekt das Blickfeld des Gerätes exakt aus. Ein Verhältnis D:S von 60:1 entspricht einem Blickfeld von 1 Grad.There is a field of view, a viewing angle within which the temperatures that the device sees through this field of view are all averaged. The field of view is described either by its angle or by a ratio of distance to size (D:S). If the value of D:S = 20:1 and if the distance to the object divided by the diameter of the object is exactly 20, then the object fills the device's field of view exactly. A D:S ratio of 60:1 corresponds to a field of view of 1 degree.
Da die meisten Infrarot-Thermometer eine Optik mit festem Brennpunkt bzw. fester Brennweite besitzen, tritt der minimale Meßfleck in der bestimmten Brennweite ("focal distance") auf. Wenn ein Gerät eine Optik mit fester Brennweite besitzt mit einem Verhältnis D:S von 120:1 und einer Brennweite von 60" (I" = 25,4 mm), dann ist der minimale Fleck (die Auflösung), die das Gerät erreichen kann, ein Wert von 60 geteilt durch 120 oder 0,5" in einer Distanz von 60" von dem Gerät. Dieser Wert ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Größe des Objektes nahe der minimalen Fleckgröße liegt, die das Gerät messen kann.Since most infrared thermometers have fixed focal length optics, the minimum spot size occurs at the specified focal distance. If a device has fixed focal length optics with a D:S ratio of 120:1 and a focal length of 60" (I" = 25.4 mm), then the minimum spot size (resolution) that the device can achieve is a value of 60 divided by 120, or 0.5" at a distance of 60" from the device. This value is particularly important when the size of the object is close to the minimum spot size that the device can measure.
Die meisten Allzweck-Infrarot-Thermometer verwenden eine Brennweite im Bereich zwischen 20" und 60" (50 bzw. 150 cm); Geräte mit einer speziellen Nah-Brennweite verwenden eine Brennweite von 0,5" bis 12". Siehe Seiten Z54 und Z55 des The Omega Engineering Handbook, Band 28.Most general-purpose infrared thermometers use a focal length in the range 20" to 60" (50 or 150 cm); those with a special close-up focal length use a focal length of 0.5" to 12". See pages Z54 and Z55 of The Omega Engineering Handbook , Volume 28.
Um derartige Vorrichtungen genauer auszubilden, sind Laserstrahl-Zielvorrichtungen verwendet worden, um die genaue MitteTo make such devices more accurate, laser beam targeting devices have been used to determine the exact center
der Energiezone anzupeilen bzw. anzuzielen. Siehe bspw. Seiten Cl-IO bis Cl-12 des The Omega Temperature Handbook. Band 27. Es sind auch verschiedene Zielvorrichtungen wie Teleskope mit Fadenkreuzen verwendet worden, um die Mitte der zu messenden Energiezone genauer zu identifizieren. Siehe bspw. die Seiten C-IO bis C-21 von The Omega Temperature Handbook, Band 27.the energy zone. See, for example, pages Cl-10 to Cl-12 of The Omega Temperature Handbook , Volume 27. Various targeting devices such as telescopes with crosshairs have also been used to more accurately identify the center of the energy zone to be measured. See, for example, pages C-10 to C-21 of The Omega Temperature Handbook , Volume 27.
Die Verwendung eines Lasers zum Anzeigen der Mitte der Energiezone versorgt den Anwender jedoch nicht mit einer genauen Definition über die tatsächliche Energiezone, aus der die Messung genommen wird. Dieses Unvermögen führt häufig zu ungenauen Meßwerten. Bspw. in Fällen, bei denen die Fläche, aus der Strahlung emittiert, kleiner ist als die Zieldurchmessergrenze (zu weit entfernt von einem Ziel oder ein zu kleines Ziel), treten ungenaue Meßwerte auf.However, using a laser to indicate the center of the energy zone does not provide the user with an accurate definition of the actual energy zone from which the measurement is taken. This inability often leads to inaccurate readings. For example, in cases where the area emitting radiation is smaller than the target diameter limit (too far from a target or too small a target), inaccurate readings occur.
Ein Verfahren, das dazu verwendet wird, die Distanz zu dem Ziel zu bestimmen, besteht darin, einen Infrarot-Distanzdetektor oder einen Dopplereffekt-Distanzdetektor oder einen Schnittbild-Detektor zu verwenden, ähnlich jenem, wie er in der Fotografie verwendet wird. Die genaue Größe der Energiezone muß jedoch weiterhin bekannt sein bzw. ermittelt werden, wenn man ein Maß an Gewißheit haben möchte, wie groß die gemessene Fläche der Oberfläche tatsächlich ist. Dies gilt insbesondere, wenn die Energiezone zu klein ist oder die Oberfläche, die die Energiezone umgibt bzw. einschließt, eine unregelmäßige Form besitzt. Für den Fall, daß die Oberfläche nicht die gesamte Fläche der Energiezone ausfüllt, werden die Meßwerte zu niedrig sein und daher fehlerhaft.One method used to determine the distance to the target is to use an infrared distance detector or a Doppler effect distance detector or a cross-sectional image detector similar to those used in photography. However, the exact size of the energy zone must still be known or determined if one wants to have a degree of certainty as to how large the measured area of the surface actually is. This is especially true if the energy zone is too small or the surface surrounding or enclosing the energy zone is of an irregular shape. In the event that the surface does not fill the entire area of the energy zone, the readings will be too low and therefore inaccurate.
Ähnliches gilt, wenn die Oberfläche unregelmäßig geformt ist; in diesem Fall werden die Meßwerte ebenfalls fehlerhaft sein, da ein Teil des Objektes von der tatsächlichen, gemessenen Energiezone fehlen würde. Somit gewährleistet die Verwendung eines einzelnen Laserstrahls auf die offensichtliche Mitte der Energiezone keine Genauigkeit, da der Anwender des Radiometers keine genauen Kenntnisse über die Grenzen der gemessenen Energiezone besitzt.Similarly, if the surface is irregularly shaped, the readings will also be erroneous, as part of the object would be missing from the actual measured energy zone. Thus, using a single laser beam on the apparent center of the energy zone does not guarantee accuracy, as the radiometer operator does not have precise knowledge of the boundaries of the measured energy zone.
Es versteht sich, daß kein Stand der Technik dieses inhärente Problem erkennt, schon gar nicht eine Lösung für die hierdurch erzeugten Probleme anbietet.It is clear that no prior art recognizes this inherent problem, let alone offers a solution to the problems it creates.
Vor dem oben genannten Hintergrund ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur einer Oberfläche unter Verwendung von Infrarottechniken anzugeben.Against the above background, it is a primary object of the present invention to provide a device for measuring the temperature of a surface using infrared techniques.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung anzugeben, die eine genauere Messung der Oberflächentemperatur angibt, als es durch die Verwendung der bisher eingesetzten Techniken möglich ist.It is a further object of the present invention to provide such a device which provides a more accurate measurement of the surface temperature than is possible using the techniques used to date.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung anzugeben, die es dem Anwender gestattet, die zu messende Energiezone an der Oberfläche visuell zu identifizieren. It is a further object of the present invention to provide such a device which allows the user to visually identify the energy zone to be measured on the surface.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung anzugeben, die einen Laserstrahl oder -It is a further object of the present invention to provide such a device which generates a laser beam or
strahlen verwendet, um den Umfang der Energiezone an der Oberfläche deutlich zu umschreiben.rays are used to clearly define the extent of the energy zone on the surface.
Um die oben genannten Aufgaben und Vorteile zu erzielen, umfaßt die vorliegende Erfindung in einer Kurzzusammenfassung eine Vorrichtung zum sichtbaren Umschreiben bzw. Angeben der Kontur der zu messenden Energiezone mittels eines Radiometers. Das mit der Vorrichtung umsetzbare Verfahren umfaßt die Schritte, eine Laserzielvorrichtung an dem Radiometer bereitzustellen, die dazu ausgelegt ist, wenigstens einen Laserstrahl gegen eine Oberfläche zu emittieren, deren Oberfläche zu messen ist, und den Laserstrahl um die Energiezone herum zu steuern, um die Energiezone sichtbar zu umschreiben. Die Steuerung des Strahls kann derart erfolgen, daß dieser auf vorbestimmte Punkte auf der Zielzone gerichtet wird. Dies kann mechanisch oder elektrisch erreicht werden.To achieve the above objects and advantages, the present invention comprises, in brief summary, an apparatus for visually delineating the contour of the energy zone to be measured by means of a radiometer. The method implementable with the apparatus comprises the steps of providing a laser targeting device on the radiometer adapted to emit at least one laser beam against a surface whose surface is to be measured and steering the laser beam around the energy zone to visually delineate the energy zone. The steering of the beam can be carried out in such a way that it is directed to predetermined points on the target zone. This can be achieved mechanically or electrically.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Vielzahl von Laserstrahlen, um den Umriß der Energiezone zu beschreiben, und zwar entweder durch Aufteilen des Laserstrahls in eine Anzahl von Punkten durch die Verwendung von optischen Fasern oder Strahlteilern oder durch die Verwendung einer Vielzahl von Lasern. Eine Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Laserzielvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, wenigstens einen Laserstrahl gegen die Oberfläche zu emittieren, und Mittel zum Drehen des Laserstrahls um die Energiezone, um die Energiezone sichtbar zu umschreiben. Diese Rotation kann schrittweise oder nach Art einer kontinuierlichen Bewegung erfolgen.Another embodiment of the invention uses a plurality of laser beams to delineate the outline of the energy zone, either by splitting the laser beam into a number of points through the use of optical fibers or beam splitters or by using a plurality of lasers. One embodiment of the invention includes a laser aiming device adapted to emit at least one laser beam against the surface and means for rotating the laser beam around the energy zone to visibly delineate the energy zone. This rotation may be stepwise or in the manner of a continuous motion.
Eine weitere Ausführungsform besteht aus zwei oder mehr stationären Strahlen, die so gerichtet sind, daß sie die EnergiezoneAnother embodiment consists of two or more stationary beams directed to cover the energy zone
definieren. Die zwei oder mehr Laserstrahlen könnten von einem hierzu bestimmten Laser für jeden Strahl oder durch Strahlteiler abgeleitet werden. Dies kann erreicht werden durch Spiegel, eine Optik und eine Faseroptik.The two or more laser beams could be derived from a dedicated laser for each beam or by beam splitters. This can be achieved by mirrors, optics and fiber optics.
Eine weitere Ausführungsform besteht aus einer Laserstrahl-Auf teilungs vorrichtung, die einen Laserstrahl emittiert, der in eine Vielzahl von Strahlen aufgeteilt wird, die die Energiezone umschreiben.Another embodiment consists of a laser beam splitting device that emits a laser beam that is split into a plurality of beams that circumscribe the energy zone.
Die vorstehenden und weitere Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Erläuterung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.The above and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the detailed explanation of preferred embodiments of the invention in conjunction with the accompanying drawings.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Radiometers des Standes der Technik, wobei eine Laservisiervorrichtung bzw. Laserzielvorrichtung verwendet wird;Fig. 1 is a schematic representation of a prior art radiometer using a laser sighting device;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Laserstrahl die Zielzone unter Verwendung eines Spiegels umschreibt;Fig. 2 is a schematic representation of a preferred embodiment of the present invention, wherein the laser beam circumscribes the target zone using a mirror;
Fig. 2A und 2BFig. 2A and 2B
zeigen die Art und Weise, auf die der Laserstrahlschrittweise versetzt wird, um die Energiezone zu identifizieren;show the way in which the laser beam is stepped to identify the energy zone;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Laser durch mechanische Bewegungsmittel um einen Schwenkpunkt verschwenkt wird;Fig. 3 is a schematic representation of an alternative embodiment of the present invention, wherein the laser is pivoted about a pivot point by mechanical movement means;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Laser durch ein Magnetfeld geführt wird, um die Zielzone zu identifizieren;Fig. 4 is a schematic representation of another alternative embodiment of the present invention, where the laser is guided through a magnetic field to identify the target zone;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Anzahl von individuellen Laserstrahlen so projiziert wird, daß die zu messende Energiezone definiert wird;Fig. 5 is a schematic representation of another alternative embodiment of the present invention wherein a number of individual laser beams are projected to define the energy zone to be measured;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Laser mechanisch verschwenkt wird;Fig. 6 is a schematic representation of another alternative embodiment of the present invention, where the laser is mechanically pivoted;
Fig. 7 zeigt in schematischer Form die Anordnung von einer Faseroptik, um ein Muster der Zielzone mit dem Laserstrahl zu erzeugen;Fig. 7 shows in schematic form the arrangement of a fiber optic to create a pattern of the target zone with the laser beam;
Fig. 8 ist eine detaillierte Schnittansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Laser mechanisch um den Detektor herum geschwenkt wird;Figure 8 is a detailed sectional view of another alternative embodiment of the present invention, where the laser is mechanically swung around the detector;
&iacgr;&ogr;&iacgr;&ogr;
Fig. 9A-C stellen alternative Ausführungsformen der Ziele bzw. Umrandungen dar, die unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung projiziert werden können; undFigures 9A-C illustrate alternative embodiments of the targets or borders that can be projected using the apparatus of the present invention; and
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei der Laser in eine Vielzahl von Laserstrahlen aufgeteilt wird, die die Energiezone definieren, und zwar durch Verwendung von optischen Fasern.Figure 10 is a schematic representation of another embodiment of the invention wherein the laser is split into a plurality of laser beams defining the energy zone by using optical fibers.
Herkömmliche Radiometer des Standes der Technik setzen seit langem Laserzielvorrichtungen bzw. Laservisiervorrichtungen ein, um bei der geeigneten Zielsuche und Ausrichtung des Gerätes eine Unterstützung anzubieten. Fig. 1 stellt den Betrieb von herkömmlichen Hand-Radiometern des Standes der Technik dar. Ein solches Radiometer, das generell durch die Bezugsziffer 10 angegeben ist, enthält ein Laservisierteleskop 12, das einen Laserstrahl 14 auf einen Fleck oder ein Ziel 18 an der Oberfläche 20 emittiert, deren Temperatur zu messen ist. Dieser Fleck bzw. Punkt 18 ist in der Mitte der Energiezone 11E" angeordnet, die von dem Radiometer 10 zu messen ist. Dieses Radiometer 10 umfaßt einen Detektor 16, der mit einem herkömmlichen internen Schaltkreis und Anzeigemitteln (nicht gezeigt) verbunden ist, zur Umwandlung, Berechnung und Anzeige der Temperatur der Oberfläche 20, wobei die Temperatur indirekt aus der Energie berechnet wird, die von der Oberfläche innerhalb der Energiezone E abgestrahlt wird. Diese Energie wird abgestrahlt in geraden Linien in allen Richtungen weg von der Oberfläche 20 und wird von dem Detektor 16 an dem Radiometer 10 eingefangen. Unter Verwendung von Infrarotstrahlungsprinzipien kann das RadiometerConventional prior art radiometers have long employed laser aiming devices to assist in appropriate targeting and alignment of the instrument. Figure 1 illustrates the operation of conventional prior art handheld radiometers. One such radiometer, indicated generally by the reference numeral 10, includes a laser aiming telescope 12 which emits a laser beam 14 at a spot or target 18 on the surface 20 whose temperature is to be measured. This spot 18 is located in the center of the energy zone 11 E" to be measured by the radiometer 10. This radiometer 10 comprises a detector 16 connected to conventional internal circuitry and display means (not shown) for converting, calculating and displaying the temperature of the surface 20, which temperature is indirectly calculated from the energy radiated from the surface within the energy zone E. This energy is radiated in straight lines in all directions away from the surface 20 and is captured by the detector 16 on the radiometer 10. Using infrared radiation principles, the radiometer can
die Infrarotstrahlung in der Energiezone E somit einfangen und messen und die Oberflächentemperatur der Energiezone E bestimmen. capture and measure the infrared radiation in the energy zone E and determine the surface temperature of the energy zone E.
Die tatsächliche Größe und Form der Energiezone wird durch die Optik des Radiometers und durch die Distanz zwischen dem Radiometer und dem Ziel bestimmt. Jedes Radiometer besitzt einen definierten Sichtwinkel oder "Blickfeld" ("field of view", FOV), das typischerweise in den Spezifikationsangaben zu dem Gerät angegeben ist. Die Größe der Energiezone E ist vorbestimmt, wenn das Blickfeld sowie die Distanz zu dem Ziel bekannt sind. Es ist offensichtlich, daß die Energiezone E umso größer ist, je weiter das Radiometer von dem Ziel entfernt gehalten wird (d.h., je größer die Distanz ist).The actual size and shape of the energy zone is determined by the optics of the radiometer and by the distance between the radiometer and the target. Each radiometer has a defined angle of view or "field of view" (FOV), typically stated in the specifications of the instrument. The size of the energy zone E is predetermined if the field of view and the distance to the target are known. It is obvious that the further the radiometer is held from the target (i.e., the greater the distance), the larger the energy zone E is.
Dieser Sachverhalt kann ausgedrückt werden durch ein "Verhältnis von Distanz zu Fleckgröße". Bei einem "Verhältnis von Distanz zu Fleckgröße" von 40:1 hat die Energiezone bspw. einen Durchmesser von 1" (I" = 25,4 mm) in einer Entfernung von 40", oder einen Durchmesser von 1/2" in einer Distanz von 20". Die Hersteller des Pyrometers geben üblicherweise Blickfeld-Diagramme an, um die Energiezone in bestimmten Entfernungen zu bestimmen.This can be expressed as a "distance to spot size ratio". For example, with a "distance to spot size ratio" of 40:1, the energy zone has a diameter of 1" (I" = 25.4 mm) at a distance of 40", or a diameter of 1/2" at a distance of 20". Pyrometer manufacturers usually provide field of view diagrams to determine the energy zone at specific distances.
Wie sich leicht erkennen läßt, sind solche Laserzielvorrichtungen jedoch lediglich in der Lage, die Mitte der gemessenen Energiezone zu identifizieren und nicht den äußeren Umfang der Energiezone, aus der die Messung tatsächlich vorgenommen wird. Je weiter das Radiometer 10 von der Oberfläche entfernt positioniert ist, umso größer ist die Energiezone E. Die tatsächliche Energiezone E kann daher, in Abhängigkeit von der Größe undAs can be easily seen, such laser targeting devices are only able to identify the center of the measured energy zone and not the outer perimeter of the energy zone from which the measurement is actually taken. The further the radiometer 10 is positioned from the surface, the larger the energy zone E. The actual energy zone E can therefore, depending on the size and
der Konfiguration der Oberfläche 20, begreiflicherweise unregelmäßig geformte Abschnitte der Oberfläche 20 enthalten oder sich sogar über die Kanten der Oberfläche hinaus erstrecken. In solchen Fällen wäre die sich ergebende gemessene Temperatur natürlich ungenau. Ohne Kenntnis des äußeren Umkreises einer solchen Energiezone E hätte der Anwender des Radiometers 10 keine Kenntnis von diesem Umstand, oder die sich ergebenden Meßwerte könnten ungenau sein.the configuration of the surface 20, understandably contain irregularly shaped portions of the surface 20 or even extend beyond the edges of the surface. In such cases, the resulting measured temperature would of course be inaccurate. Without knowledge of the outer perimeter of such an energy zone E, the user of the radiometer 10 would have no knowledge of this fact, or the resulting measurements could be inaccurate.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel bereit zum sichtbaren Definieren der Energiezone E, derart, daß der Anwender des Radiometers 10 die tatsächlich gemessene Energiezone beobachten kann, um zu bestimmen, wo die Energiezone relativ zu der gemessenen Oberfläche liegt. Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine feine Laserlinie oder Laserlinien gegen die gemessene Oberfläche projiziert, und diese Linie oder Linien sind so positioniert, daß sie den Umfang der Energiezone E einschließen. Wenn ein rotierender Laserstrahl verwendet wird, kann die Positionierung bewirkt werden entweder, indem der Laser selbst bewegt wird, oder, indem der von dem Laser emittierte Laserstrahl bewegt wird. Wenn der Umkreis der Energiezone E an dem Objekt durch Bewegung des Laserstrahls in einem Pfad um den Umfang der Energiezone E identifiziert werden könnte, wäre der Anwender in der Lage, schnell und genau zu bestimmen, ob die Energiezone, aus der die Messung vorgenommen wurde, sich vollständig an der zu messenden Oberfläche befand, und ob es sich bei der Oberfläche um einen Typ handelte, der eine ansonsten genaue Messung liefern würde.The present invention provides a means for visually defining the energy zone E such that the user of the radiometer 10 can observe the actual measured energy zone to determine where the energy zone lies relative to the surface being measured. In various embodiments of the present invention, a fine laser line or lines are projected against the surface being measured, and these line or lines are positioned to enclose the perimeter of the energy zone E. When a rotating laser beam is used, positioning can be accomplished either by moving the laser itself or by moving the laser beam emitted by the laser. If the perimeter of the energy zone E on the object could be identified by moving the laser beam in a path around the perimeter of the energy zone E, the user would be able to quickly and accurately determine whether the energy zone from which the measurement was taken was entirely on the surface being measured and whether the surface was of a type that would otherwise provide an accurate measurement.
Der Umfang der Energiezone E ist identifizierbar als Funktion des genannten "Blickwinkels" des bestimmten Radiometers, so wieThe extent of the energy zone E is identifiable as a function of the so-called "angle of view" of the particular radiometer, such as
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angegeben in dessen Spezifikation, und der Distanz zwischen dem Radiometer und dem Ziel. Die Identifizierung der Größe und der Form der Energiezone läßt sich leicht vollziehen unter Verwendung von herkömmlichen mathematischen Formeln. Sobald die Identifikation erfolgt ist, wird der Laserstrahl dann um den Umfang der Energiezone E in Übereinstimmung mit den nachstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen herum projiziert. Ein einfacher "Ziel"-Ansatz besteht darin, den Laserstrahl unter demselben Winkel wie das Blickfeld des Radiometers zu projizieren, und zwar ausgehend von derselben Achse; alternativerweise wird der Laserstrahlwinkel in Übereinstimmung mit Berechnungen des "Verhältnis von Distanz zu Fleckgröße" mechanisch nachgestellt bzw. eingestellt. In jedem Fall wird der Umfang der Energiezone durch den Laserstrahl identifiziert.specified in its specification, and the distance between the radiometer and the target. Identification of the size and shape of the energy zone is easily accomplished using conventional mathematical formulas. Once identification is made, the laser beam is then projected around the perimeter of the energy zone E in accordance with the methods and apparatus described below. A simple "target" approach is to project the laser beam at the same angle as the field of view of the radiometer, from the same axis; alternatively, the laser beam angle is mechanically adjusted in accordance with "distance to spot size ratio" calculations. In either case, the perimeter of the energy zone is identified by the laser beam.
Fig. 2 stellt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der die Laserzielvorrichtung 12 einen Laserstrahl 14 emittiert, der auf eine verspiegelte Oberfläche 30 gerichtet wird, die vor dem Laserstrahl 14 angeordnet ist. Der Spiegel 30 wird unter Verwendung von Antriebsmitteln bzw. Bewegungsmitteln 32 gedreht, so daß der Strahl auf kreisförmige Weise gedreht wird, um die gemessene Energiezone E an der Oberfläche zu definieren. Alternativ kann der Spiegel 30 gedreht werden durch Vibrationsmittel oder durch Anwendung eines Magnetfeldes (nicht gezeigt). Eine Drehung des Spiegels 30 sollte unter einem Refraktionswinkel erfolgen, der der 90%-Energiezone E entspricht, um den Laserstrahl 14 hierdurch um den Umfang der Energiezone E drehen zu lassen, wodurch diese für den Anwender des Radiometers 10 sichtbar gemacht wird.Fig. 2 illustrates a first embodiment of the present invention, in which the laser aiming device 12 emits a laser beam 14 which is directed at a mirrored surface 30 disposed in front of the laser beam 14. The mirror 30 is rotated using drive means 32 so that the beam is rotated in a circular manner to define the measured energy zone E on the surface. Alternatively, the mirror 30 may be rotated by vibratory means or by application of a magnetic field (not shown). Rotation of the mirror 30 should be at an angle of refraction corresponding to the 90% energy zone E to thereby rotate the laser beam 14 around the circumference of the energy zone E, making it visible to the user of the radiometer 10.
Alternativerweise kann anstelle des Spiegels 30 ein Prisma mit vorbestimmten Winkeln verwendet werden, so daß man das Prisma als reflektierende Spiegeloberfläche arbeiten läßt und hierdurch den Laserstrahl um den Umkreis der Energiezone richtet.Alternatively, a prism with predetermined angles may be used instead of the mirror 30 so that the prism is made to act as a reflective mirror surface and thereby direct the laser beam around the perimeter of the energy zone.
Die Fig. 2A und 2B stellen die Art und Weise dar, auf die die Laserstrahlen dazu verwendet werden können, die gemessene Energiezone E an der Oberfläche zu umschreiben. Es ist wichtig, daß die Drehung des Strahls 14 sorgfältig gesteuert wird, so daß die Drehung mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, der man visuell folgen kann. Dies läßt eine volle Intensität des Strahls zu. Wie es in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist, wird der Laserstrahl um die Energiezone E in einer Reihe von Schritten gedreht, wobei man den Laserstrahl bei jedem Schritt für wenigstens eine Hundertstel Sekunde verbleiben läßt, bevor er zu der nächsten Position bewegt wird. Dies wird erreicht, indem man eine Vielzahl von Schritten E-I, E-2 etc. um die Energiezone E herum erzeugt. Der Laserstrahl 14 würde bei jeder Stufe für die vorbestimmte Zeitspanne anhalten, um zu ermöglichen, daß der Strahl visuell betrachtet werden kann, bevor er zu dem nächsten Schritt weiterbewegt wird.Figures 2A and 2B illustrate the manner in which the laser beams can be used to delineate the measured energy zone E on the surface. It is important that the rotation of the beam 14 be carefully controlled so that the rotation occurs at a rate that can be followed visually. This allows full intensity of the beam. As shown in Figures 2A and 2B, the laser beam is rotated around the energy zone E in a series of steps, allowing the laser beam to remain at each step for at least one hundredth of a second before moving to the next position. This is accomplished by creating a plurality of steps E-I, E-2, etc. around the energy zone E. The laser beam 14 would stop at each step for the predetermined period of time to allow the beam to be visually observed before moving on to the next step.
Fig. 3 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der Laser 112 selbst gedreht oder versetzt wird, um einen Kreis zu schreiben, der die Energiezone E definiert, und zwar durch mechanisches Verschwenken des Lasers 112 um einen Schwenkpunkt 120 unter Verwendung von Antriebsmitteln 132. Alternativerweise kann der Laser 112 gedreht werden durch Vibrationsmittel (nicht gezeigt) oder durch das Anlegen eines Magnetfeldes (nicht gezeigt). Die Drehung des Lasers 112 sollte jedoch unter einem Refraktionswinkel erfolgen, der der 90%-Fig. 3 illustrates another embodiment of the present invention, wherein laser 112 itself is rotated or translated to write a circle defining energy zone E, by mechanically pivoting laser 112 about pivot point 120 using drive means 132. Alternatively, laser 112 may be rotated by vibratory means (not shown) or by applying a magnetic field (not shown). However, rotation of laser 112 should be at an angle of refraction that is 90%
Energiezone E entspricht, wodurch man den Laserstrahl 114 um den Umfang der Energiezone E herum drehen lassen kann, um diese für den Anwender des Radiometers 10 sichtbar zu machen.Energy zone E, whereby the laser beam 114 can be rotated around the circumference of the energy zone E in order to make it visible to the user of the radiometer 10.
In Fig. 4 wird der Laser 212 um einen Schwenkpunkt 220 gedreht, und zwar durch die Anwendung eines magnetischen Feldes 225, so daß die Emission des Laserstrahls 214 um den Umfang der 90%-Energiezone E herum erfolgt, um den Strahl für den Anwender des Radiometers 10 sichtbar zu machen. Bei dieser Ausführungsform sind (nicht gezeigte) Mittel vorgesehen, um das Magnetfeld 225 so zu modifizieren, daß es der 90%-Energiezone E entspricht, so daß man den Laser entsprechend drehen lassen kann.In Fig. 4, the laser 212 is rotated about a pivot point 220 by the application of a magnetic field 225 so that the emission of the laser beam 214 occurs around the circumference of the 90% energy zone E to make the beam visible to the user of the radiometer 10. In this embodiment, means (not shown) are provided for modifying the magnetic field 225 to correspond to the 90% energy zone E so that the laser can be rotated accordingly.
In Fig. 5 besitzt der Laser 312 wenigstens zwei Komponenten 312A und 312B, die wenigstens zwei einzelne Laserstrahlen 314A und 314B um den Detektor 316 herum zu erzeugen. Diese wenigstens zwei einzelnen Strahlen 314A und 314B werden auf die Oberfläche 320 gerichtet, die gemessen wird, und zwar auf den Umkreis der Energiezone E und nicht auf deren Mitte. Durch die Verwendung einer Anzahl derartiger Laserstrahlen läßt sich die Energiezone E deutlicher angeben bzw. identifizieren, und nicht nur die Mitte der Energiezone E. Wenn es gewünscht ist, können einzelne Laser verwendet werden oder es können Laser-Teilervorrichtungen verwendet werden, um einen einzelnen Laserstrahl aufzuteilen.In Fig. 5, the laser 312 has at least two components 312A and 312B that produce at least two individual laser beams 314A and 314B around the detector 316. These at least two individual beams 314A and 314B are directed at the surface 320 being measured, at the perimeter of the energy zone E, rather than at the center thereof. By using a number of such laser beams, the energy zone E can be more clearly identified, rather than just the center of the energy zone E. If desired, individual lasers can be used, or laser splitter devices can be used to split a single laser beam.
Fig. 6 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der der Laser 412 mechanisch auf kreisförmige Weise um den Detektor 416 herum verschwenkt wird, um einen Laserstrahl 414 in einem kreisförmigen Pfad auf die Oberfläche (nicht gezeigt) zu emittieren, um hierdurch die Energiezone EFig. 6 illustrates another embodiment of the present invention in which the laser 412 is mechanically pivoted in a circular manner around the detector 416 to emit a laser beam 414 in a circular path onto the surface (not shown) to thereby define the energy zone E
zu definieren. Der Laser 412 ist schwenkbar an einem Schwenklager 420 montiert, das an einem Verbindungsarm 421 vorgesehen ist. Der Arm 421 ist an einem Schwenklager 424 montiert, das von einem Motor 422 gedreht wird. Auf diese Weise dreht sich der Laserstrahl 414, der von dem Laser 412 emittiert wird, um die Energiezone E an der Oberfläche, deren Temperatur zu messen ist, herum und umschreibt die Energiezone E.to define. The laser 412 is pivotally mounted on a pivot bearing 420 provided on a connecting arm 421. The arm 421 is mounted on a pivot bearing 424 which is rotated by a motor 422. In this way, the laser beam 414 emitted by the laser 412 rotates around the energy zone E on the surface whose temperature is to be measured and circumscribes the energy zone E.
Die Drehung des Lasers kann auch bewirkt werden unter Verwendung von Faseroptik-Techniken, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wobei der Laserstrahl durch faseroptische Mittel 501 projiziert wird. Auf diese Weise wird der Strahl von der Laserquelle fächerartig aufgespreizt und umkreist bzw. umschließt und definiert hierdurch die Energiezone E. Durch die Verwendung einer hinreichenden Anzahl von Faseroptiken bzw. optischen Fasern kann man den Umfang der Zielfläche E mit einem Lichtring umschreiben. Dies kann durch nur zwei Fasern 501 erzielt werden, die um 180° voneinander versetzt angeordnet sind, da das Abtastmuster bzw. Aufnahmemuster kreisförmig sein würde bzw. sein könnte.The rotation of the laser can also be effected using fiber optic techniques as shown in Figure 7, where the laser beam is projected by fiber optic means 501. In this way, the beam from the laser source is fanned out and encircles and thereby defines the energy zone E. By using a sufficient number of fiber optics, the perimeter of the target area E can be circumscribed with a ring of light. This can be achieved by only two fibers 501 arranged 180° apart, since the scanning pattern would be or could be circular.
Fig. 8 stellt weitere Mittel zum Bewirken einer Drehung des Laserstrahls 614 dar, der von einem Laser 612 emittiert wird. Hierbei wird der Laserstrahl 614 auf einen sich drehenden Spiegel 630 mit flacher Oberfläche gerichtet, an dem er gegen einen konischen Spiegel 631 aus plattiertem Kunststoffmaterial reflektiert wird. Der reflektierte Strahl wird dann auf die Oberfläche projiziert und definiert den Umkreis der Energiezone E. Der flache Spiegel 630 wird von einem Motor 622 angetrieben. Auf diese Weise dreht sich der Laserstrahl 614 um den Umfang der Energiezone E an der zu messenden Oberfläche. Die SpiegelFig. 8 illustrates further means for causing rotation of the laser beam 614 emitted by a laser 612. Here, the laser beam 614 is directed to a rotating flat surface mirror 630 where it is reflected against a conical mirror 631 made of plated plastic material. The reflected beam is then projected onto the surface and defines the perimeter of the energy zone E. The flat mirror 630 is driven by a motor 622. In this way, the laser beam 614 rotates around the perimeter of the energy zone E on the surface to be measured. The mirrors
sind unter einem solchen Winkel angeordnet, daß die Laserprojektion unter demselben Winkel vollzogen wird wie der Aufnahmebzw. Abtastwinkel des Infrarotdetektors.are arranged at such an angle that the laser projection is carried out at the same angle as the recording or scanning angle of the infrared detector.
Es versteht sich selbstverständlich, daß die Energiezonen E andere Konfigurationen bzw. Formen annehmen können als die in den Fig. 1 bis 8 gezeigte Kreisform. Die Fig. 9A-C zeigen alternativ eine quadratische (Fig. 9A), eine rechteckförmige (Fig. 9B) und eine dreieckförmige (Fig. 9C) Konfiguration der Lichtmuster, die unter Verwendung der Mittel der vorliegenden Erfindung erzielt werden können.It is to be understood, of course, that the energy zones E may take on other configurations or shapes than the circular shape shown in Figures 1 to 8. Figures 9A-C show alternatively a square (Figure 9A), a rectangular (Figure 9B) and a triangular (Figure 9C) configuration of the light patterns that may be achieved using the means of the present invention.
Fig. 10 stellt ein Verfahren zum Definieren der Energiezone dar, wobei eine Kreisform ohne eine Drehung des Laserstrahls erzielt werden kann, wobei eine Vielzahl von feststehenden optischen Fasern verwendet wird, die so angeordnet sind, daß eine Anzahl von Punkten projiziert wird. Bei dieser Figur projiziert ein feststehender Laser 712 einen Strahl 713, der durch ein Bündel von optischen Fasern 715 in eine Vielzahl von Strahlen 714 aufgeteilt wird, um auf die Oberfläche ein Muster 716 zu projizieren, das die Energiezone E definiert. Nach Wunsch können zusätzliche Konfigurationen ebenfalls verwendet werden.Figure 10 illustrates a method of defining the energy zone where a circular shape can be achieved without rotation of the laser beam using a plurality of fixed optical fibers arranged to project a number of points. In this figure, a fixed laser 712 projects a beam 713 which is split into a plurality of beams 714 by a bundle of optical fibers 715 to project onto the surface a pattern 716 defining the energy zone E. Additional configurations may also be used if desired.
Nachdem die Erfindung somit unter besonderer Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.Having thus described the invention with particular reference to preferred embodiments, it will be understood that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention as defined by the appended claims.
Claims (7)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08121916 US5368392B1 (en) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | Method and apparatus for measuring temperature using infrared techniques |
| DE9422197U DE9422197U1 (en) | 1993-09-17 | 1994-02-23 | Device for measuring temperature using infrared techniques |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9422203U1 true DE9422203U1 (en) | 1999-03-25 |
Family
ID=25962789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9422203U Expired - Lifetime DE9422203U1 (en) | 1993-09-17 | 1994-02-23 | Device for measuring temperature using infrared techniques |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9422203U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2882433A1 (en) * | 2005-02-22 | 2006-08-25 | Bernard Jacquinot | Temperature detection device for use with firemen helmet, has luminous type warning unit disposed laterally of device and triggered automatically when predetermined temperature threshold is attained |
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1994
- 1994-02-23 DE DE9422203U patent/DE9422203U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2882433A1 (en) * | 2005-02-22 | 2006-08-25 | Bernard Jacquinot | Temperature detection device for use with firemen helmet, has luminous type warning unit disposed laterally of device and triggered automatically when predetermined temperature threshold is attained |
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