DE19526557A1 - Infrarot-Temperaturmeßgerät - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Infrarot-Temperaturmeßgerät zur berührungslosen Temperaturmessung auf der Basis der Ermittlung der von einem Meßobjekt ausgehenden Infrarotstrahlung und zum Ausgleich thermischer Gradienten innerhalb eines Gerätes zur Verminderung von Störsignalen und zur Erhöhung der Genauigkeit.

Typischerweise gebrauchen berührungslose Infrarot- Temperaturmeßgeräte ein Infrarotoptisches Fokussiersystem zur Bündelung der von einem Meßobjekt ausgehenden Infrarotstrahlung auf ein Infrarot-Detektorelement. Zu diesem Detektorelement gehört ein Schwarzkörper, dessen Temperatur sich erhöht, wenn die Infrarotstrahlung des Meßobjektes auf das Detektorelement trifft sowie eine Thermosäule, die eine Nutzsignalspannung mit einer Größe erzeugt, die die Höhe des Temperaturunterschiedes zwischen den heißen Lötstellen (dem durch die von dem Meßobjekt ausgehende Infrarotstrahlung erhitztem Schwarzkörper) und den kalten Bezugslötstellen anzeigt. Das Meßinstrument verfügt über eine elektronische Schaltung zur Anzeige der Temperatur des Meßobjektes auf der Grundlage der Größe der Nutzsignal- Spannungsausgabe des Detektorelements.

Das Detektorelement muß sehr empfindlich reagieren, da die Größenordnung der Temperaturänderung infolge der von dem Meßobjekt angegebenen gebündelten Infrarotstrahlung weniger als 1.8*10^-3K (1*10^-3°F) betragen kann, die Höhe der Nutzsignalspannung jedoch gering ist. Daher muß das Meßgerät so konstruiert sein, daß es störarm arbeitet.

Eine Störquelle besteht durch thermische Gradienten zwischen dem Detektorelement und andere Komponenten des Gerätes bei Veränderung der Umgebungstemperatur. Ändert sich die Umgebungstemperatur, ändern sich die verschiedenen Komponenten des Gerätes mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Demzufolge kann Wärme entlang den thermischen Gradienten in das Detektorelement fließen, so daß der Nutzsignalspannung eine Störspannung überlagert wird, was zu einer ungenauen Temperaturanzeige führt. Wie vom Stand der Technik allgemein bekannt, wird die Geschwindigkeit des Wärmeflusses (H) durch ein Material nach der Formel

H=KA (t₂-t₁)/L

berechnet, wobei K die Wärmeleitfähigkeit des Materials, A die Querschnittsfläche, L die Länge sowie t₁ und t₂ die unterschiedlichen Temperaturen an den Stirnseiten des Materials bedeuten.

Eine Art von Kompensationsverfahren zum Ausgleich des Einflusses von Wärmeübergängen ist die Verwendung eines Optischen Modulators, womit die gebündelte Infrarotstrahlung in regelmäßigen Abständen unterbrochen und damit das Detektorelement auf die Umgebungstemperatur bezogen wird. Allerdings erhöht sich durch die Verwendung eines Optischen Modulators im Meßgerät dessen Preis.

Eine weitere Störsignalquelle ist die Veränderung der Temperatur des Detektorelements selbst, die durch ein Kompensationssystem mit zwei Detektorelementen ausgeglichen werden kann, von denen das eine der gebündelten Infrarotstrahlung ausgesetzt wird und eine Nutzsignalspannung erzeugt sowie einem Kompensations- Detektorelement, das eine Kompensationsspannung erzeugt. Beide erzeugten Spannungen reagieren durch einen nahezu linearen Offset auf die Veränderung der Umgebungstemperatur, so daß die Auswirkung der Veränderung durch Abzug der erzeugten Kompensationsspannung von der Nutzsignalspannung kompensiert wird.

Außerdem wurden verschiedene Verfahren wie z. B. der Einbau der Detektorelemente in Materialien mit hohem Wärmewiderstand zum Schutz des Detektorelementes vor Wärmeschwankungen angewandt.

Allerdings besitzen derzeitig verfügbare Verfahren, die keine Optischen Modulatoren einsetzen, nur eine begrenzte Empfindlichkeit. Aus diesem Grunde wäre ein Verfahren zur Stabilisierung des Detektorelements mit hoher Empfindlichkeit, ohne daß ein optischer Modulator zur Anwendung kommt, von großem Nutzen für das Fachgebiet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Infrarot- Temperaturmeßgerät zu schaffen, das eine hohe Stabilität und Empfindlichkeit gewährleistet, ohne daß der Einsatz eines optischen Modulators erforderlich wäre.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind die Nutzsignal- und Kompensations- Detektorelemente getrennt in einer Wärmesenke angebracht und mittels sehr dünner Drähte an eine Leiterplatte angeschlossen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß die dünnen Drähte und die Leiterplatten in einer wärmeisolierenden Umhüllung angebracht sind, damit die dünnen Drähte vom im Inneren des Meßgerätes gebildeten Luftströmen isoliert sind.

Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, daß die dünnen Drähte jedes Detektorelement mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) auf der Leiterplatte verbinden. Ein Mikroprozessor empfängt die digitalisierte Nutzsignalspannung sowie die digitalisierte Kompensationsspannung und verarbeitet die Signale dahingehend, daß die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufenen Störsignale mit dem Kompensationsdetektor ausgeglichen werden.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie den im Anhang befindlichen Zeichnungen ersichtlich.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 ist die graphische Darstellung des Fehlers, der aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur auftritt, als Zeitfunktion;

Fig. 3A und 3B sind detaillierte perspektivische Ansichten der gegenseitigen Verbindungen der Detektorleitungen, der dünnen Drähte und der Leiterplattenkontakte eines bevorzugten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm des Temperatur- Kompensationsschaltkreises.

Es soll nunmehr die Erfindung in bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben werden. In den Zeichnungen sind gleiche oder einander entsprechende Teile in allen Ansichten durchgängig mit den gleichen Bezugsnummern versehen.

Fig. 1 stellt das Infrarotoptische System und die Detektor- Kompensationseinrichtung dar. In Fig. 1 bündelt die Infrarot-Linse 10 die von einem Meßobjekt auf das Nutzsignal-Detektormodul 12 projizierte Infrarotstrahlung, wobei das Nutzsignal-Detektormodul 12 im Aluminiumblock 14 montiert ist. Das Kompensations-Detektormodul 16 ist ebenfalls in Block 14 montiert und ist gegen die einfallende Infrarotstrahlung abgeschirmt. Der Aluminiumblock 14 ist im Inneren des Gerätegehäuses (nicht abgebildet) angebracht.

Wie vom Stand der Technik her allgemein bekannt, enthalten die Detektormodule 12 und 16 Detektorelemente in Form der kommerziell verfügbaren Thermosäulen, wie sie z. B. vom Dexter Research Center in Dexter, Michigan, hergestellt werden. Diese Detektorelemente sind in einem hermetisch versiegelten Standardgehäuse mit Standard- Detektorzuleitungen eingeschlossen. Die Detektorzuleitungen dienen dazu den elektrischen Kontakt vom Äußeren des Detektorgehäuses zu den Detektorelementen herzustellen. In Fig. 1 sind die hermetisch versiegelten Gehäuse der Detektormodule 12 und 16, die die Detektorelemente enthalten, mit den Standard-Detektorzuleitungen 12l und 16l, die von den Gehäusen ausgehen, dargestellt.

Die Leiterplatte 18, deren Funktion nachfolgend genauer beschrieben wird, ist auf dem Metallblock 14 angebracht. Die Standard- Detektorzuleitungen 12l und 16l, die für die elektrischen Kontakte zu den Detektorelementen sorgen, werden mit den Anschlüssen an der Leiterplatte 18 durch die sehr dünnen Drahtpaare 20 und 22 verbunden. In Fig. 1 werden die Kontakte auf der Leiterplatte 18 als Streben dargestellt, die normalerweise aus Kupfer bestehen, die Kontakte können, jedoch auch Lötpads auff der Leiterplatte 18 sein. Die dünnen Drähte 20 und 22, die Detektor-Standardleitungen 12l und 16l sowie die Leiterplattenkontakte befinden sich in der wärmeisolierenden Umhüllung 24.

Die Instabilitäten in einem Gerät mit Gleichstrahlungs-Thermosäule sind auf Driften im Schaltkreis, Signal-Instabilität im Inneren des Detektors sowie Wärmegradienten zwischen Detektor und anderen optischen Bauteilen zurückzuführen. Die Erfinder haben entdeckt, daß die schwerwiegendste Einzelursache für Instabilität Signalstabilitäten im Inneren des Detektors ist, für die es drei Ursachen gibt: 1. die Wärmelast auf der positiven Detektorleitung, 2. die Wärmelast auf der negativen Detektorleitung und 3. die Geschwindigkeit der Temperaturveränderung des gesamten Detektors.

Die Geschwindigkeit der Temperaturveränderung wird durch Anbringen der Detektor-Module 12 und 16 im Aluminiumblock 14, der als Wärmesenke fungiert, gesteuert. Desweiteren werden die Auswirkungen der Temperaturveränderung durch ein nachfolgend beschriebenes Kompensationssystem (siehe Figildung 3) ausgeglichen. Die Auswirkungen der Wärmelast auf den elektrischen Zuleitungen sind jedoch verschieden für beide Detektoren und können durch das Kompensationssystem nicht ausgeglichen werden.

Es würde herausgefunden, daß die Verwendung der sehr dünnen Drähte 20 und 22 anstelle der üblicherweise verwendeten positiven und negativen Standard-Detektorzuleitungen 12l und 16l, die dem Anschluß der Detektormodule 12 und 16 an die Leiterplatte 18 dienen, die Wärmelast auf den Detektorzuleitungen verringern. Desweiteren wurde festgestellt, daß die Ummantelung der dünnen Drähte 20 und 22 sowie der Leiterplattenkontakte mit der wärmeisolierenden Hülle 24 die Stabilität weiter erhöht.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Meßfehlers in °F als Zeitfunktion für unterschiedliche Konfigurationen des Gerätes. Jede Meßkurve zeigt den Fehler, der entsteht, wenn das Gerät aus einem Thermostat mit 48.9°C (120°F) herausgenommen und bei Zimmertemperatur verwendet wird.

In Fig. 2 stellt die Kurve 30 den Fehler im Falle eines Detektors ohne Kompensation dar. Nach ungefähr 10 Minuten weist die Messung eine Abweichung von ca. -6.7K (-12°F) auf und zeigt nach etwa einer Stunde wieder den richtigen Wert an. Die zweite Kurve 32 gibt den Fehler im Falle eines abgeglichenen Systems mit Kompensation, das sehr dünne, aber nicht mit einer Isolationshülle umkleidete Drähte, zum Anschluß der Detektorbeine an die Leiterplattenkontakte benutzt, wieder. Der Fehlerbereich liegt zwischen ±2.2K (±4°F), und die Meßwerte sind nach ungefähr einer Stunde wieder korrekt. Die dritte Kurve zeigt den Fehler im Falle eines abgeglichenen Systems mit Kompensation an, bei dem sehr dünne, in einer Isolationshülle befindliche Drähte verwendet werden. Der Fehlerbereich wurde auf ±1.1K (±2°F) verringert und die Meßwerte sind nach ca. einer Stunde wieder genau.

Die Verwendung der sehr dünnen Drähte und der Isolationshülle zur Verbesserung der Stabilität hat die Leitung des Gleichstrahlungs- Detektorsystems außerordentlich erhöht. Das verbesserte Detektorsystem kann zur Vornahme von Messungen bei niedrigeren Tempeaturen oder höherer Auflösung verwendet werden. So wurde zum Beispiel die Auflösung eines Meßsystems von 40 : 1 (das Vermögen, ein z. B. 1 m großes Meßobjekt bei einer Entfernung von 40 m aufzulösen auf 1 . 120 verbessert (das Vermögen, ein z. B. 1 m großes Meßobjekt bei einer Entfernung von 120 m aufzulösen).

Die Standard-Detektorzuleitungen 12l und 16l, die die Verbindung mit den Detektorelementen innerhalb des Gehäuses herstellen, werden typischerweise aus Kovar von Stupakoff Ceramic & Mfg. Co. hergestellt, wobei es sich um eine Legierung, die sich aus 29% Nickel, 17% Kobalt, 0,3% Mangan und zum überwiegenden Teil aus Eisen zusammensetzt, die die Eigenschaften mit Glas hermetisch abzuschließen. Die Zuleitungen haben eine Stärke von 0,53 mm und verlaufen typischerweise durch ein glasversiegelndes Teil.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die dünnen Drähte 20 und 22 Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0,08 mm und einer Länge von ca. 1,5 cm. Die Detektorzuleitungen sind auf ungefähr 3 mm abgeglichen, und die dünnen Drähte werden mittels der Zuleitungen durch Verknoten, wodurch sie in Position gehalten werden, und anschließendes Verlöten mit den Detektorzuleitungen, angebracht.

In dem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel Anwendungsform wird die Umhüllung 24 durch ein Schrumpf-Verhüll-Verfahren gebildet. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Aufschrumpf-Schlauch aus der Produktion der 3-M Corporation of Minneapolis, Minnesota, mit einem Durchmesser von ca. 38,1 mm (1,5 Inch), hergestellt aus Polyolefin, als wärmeisolierende Hülle verwendet. Allerdings wird der Einsatz von Mylar oder anderer dünner Plastmaterialien ebenfalls in Erwägung gezogen.

Die Verbindungen zwischen den Standard-Detektorzuleitungen 12l und 16l, den dünnen Drähten 20 und 22 sowie den Leiterplattenkontakten werden in Fig. 3A und 3B dargestellt. Fig. 3A zeigt die Leiterseite der Leiterplatte 18 mit den dünnen Drähten 22, die die Detektor- Standardzuleitungen 16l des Kompensations-Detektormoduls 16 mit den Lötpads auf der Platte verbindet. Fig. 3B zeigt die Bestückungsseite der Leiterplatte 18 mit den dünnen Drähten 20, die die Detektor- Standardzuleitungen 12l des Nutzsignal-Detektormoduls 12 mit den Kupferstreben auf der Platte verbinden.

Die aufgeschrumpfte Isolierumhüllung 24 wird in Fig. 4 detailliert dargestellt. Die Grenzen der Ansichten der Fig. 3A und B werden durch den Kreis 39 definiert. Beide Figuren zeigen die gegenseitigen Verbindungen vor Anbringung der Isolationshülle.

Ausgehend von der KOVAR-Materialzusammensetzung sind die Erfinder zu dem Schluß gelangt, daß die Wärmeleitfähigkeit der 0,53-mm- Detektorzuleitungen ca. 0,8 W cm^-1 K^-1 beträgt und daß eine Zuleitung mit einer Länge von 1 cm eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 1,8 mW/K haben müßte. Andererseits beträgt die Wärmeleitfähigkeit der dünnen Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0,09 mm und einer Länge von 1,5 cm ca. 0,13 mW/K.

Es wurde herausgefunden, daß durch dünne Drähte mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis zu ca. 0,3 mW/K und einer Stärke von bis zu ca. 0,1 mm eine beträchtliche Störsignalreduzierung erreicht werden kann. Somit kommen die Charakteristika der Erfindung bei dünnen Drähten mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,1 bis ca. 0,3 mW/K und bei Kupferdrähten mit einem Durchmesser von ca. 0,08 mm bis zu ca. 0,1 mm zum Tragen. Die untere Grenze im Stärkebereich des Kupferdrahtes resultiert aus der schwierigen Handhabung des Drahtes.

Es wurde herausgefunden, daß die verbesserte Leistung bei Verwendung der Isolierhülle 24 möglicherweise auf die Abschirmung der dünnen Drähte von den im Inneren des Gerätegehäuses bei Veränderung der Umgebungstemperatur erzeugten Luftströmen sowie die Reduzierung des Temperaturgefälles zwischen den Enden der dünnen Drähte zurückzuführen ist.

Oben beschriebenes Kompensationssystem erleichtert den Einsatz von Standard-Detektoren, was für die Vereinfachung der Herstellung und die Reduzierung der Kosten von Bedeutung ist. Außerdem erhöht die Verwendung sehr dünner Drähte die Stabilität des Gerätes dadurch, daß auch das Detektorgehäuse besser von Temperaturgradienten isoliert wird.

Fig. 5 ist ein Schaltplan des Kompensationssystems, das in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für die Kompensation der Temperaturveränderung im Detektor selbst verwendet wurde.

In Fig. 5 wird das Paar sehr dünner Drähte mit dem Eingang des Vorverstärkers 40 verbunden, dessen Ausgang an den Analogeingang des ADC 42 angeschlossen wird. Der Digitalausgang des ADC 42 wird durch einen Datenbus mit dem Dateneingang des Mikroprozessors (MCU) 44 verbunden. Das Paar sehr dünner Drähte 22, das die Kompensationsspannung überträgt, ist in ähnlicher Weise durch den Vorverstärker 48 und den ADC 50 an die MCU 44 angeschlossen.

Die Vorverstärker ermöglichen es, daß die Nutz- und Kompensations- Spannungssignale vor der Digitalsierung aneinander angepaßt werden. Der Mikroprozessor (MCU) kann so programmiert werden, daß bekannte störsignalreduzierende Algorithmen einschließlich Subtraktion der angepaßten Kompensationsspannung von der angepaßten Nutzsignalsspannung zum Ausgleich der linearen Abweichung infolge Tempeaturveränderung des Nutzsignaldetektors 12 zur Anwendung kommen.

Claims (4)

1. Berührungsloses Infrarot-Temperaturmeßgerät, enthaltend:
einen Meßdetektor, der ein Nutzspannungssignal mit einer die Intensität der Infrarot-Strahlung eines einfallenden Strahlenbündels anzeigenden Größe aussendet;
ein infrarotoptisches Fokussiersystem zur Bündelung der von einem Meßobjekt auf genannten Meßdektektor emittierten Infrarot-Strahlung;
ein Kompensationsdetektor, der gegen Infrarotstrahlung abgeschirmt ist und ein Kompensationsspannungssignal aussendet;
eine Leiterplatte einschließlich Kompensationsschaltung zur Verarbeitung des genannten Nutzspannungssignals und Kompensationsspannungssignals zur Korrektur von Spannungsabweichungen, die bei Temperaturveränderungen des Detektors entstehen sowie dünnen Drähten mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von ca. 0,13 bis ca. 0,2 mW/K für den Anschluß des erwärmten Meß- und des Kompensationsdetektors an beschriebene Leiterplatte zur Übertragung der Nutzsignalspannung und Kompensationsspannung zur Kompensationsschaltung.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine wärmeisolierende Hülle, die die dünnen Drähte umschließt.

3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Kompensationsschaltung, enthaltend
einen ersten Vorverstärker mit einem angeschlossenen Eingang zum Empfang genannten Nutzspannungssignals sowie einem Ausgang;
einem ersten Analog-Digital-Wanler mit einem Analogeingang, angeschlossen an den Ausgang des genannten ersten Vorverstärkers und mit einem Digitalausgang;
einen zweiten Vorverstärker mit angeschlossenem Eingang für den Empfang des beschriebenen Kompensationsspannungssignals sowie einem Ausgang;
einem zweiten Analog-Digital-Wandler mit einem Analogeingang, angeschlossen an den Ausgang des zweiten Vorverstärkers und mit Digitalausgang sowie
einem Prozessor, angeschlossen an die Digitalausgänge des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandlers für die Verarbeitung der Nutz- und Kompensationsspannungssignale zur Korrektur einer durch Temperaturveränderungen der Detektoren verursachten Spannungsabweichung.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Drähte aus Kupfer gefertigt sind und eine Stärke im Bereich von ca. 0,8 mm bis ca. 0,1 mm sowie eine Länge von ca. 1,5 cm aufweisen.