DE3213955A1 - Laserstrahl-visiereinrichtung zur kennzeichnung von lage und durchmesser des messflecks fuer strahlungsthermometer mit fokaler oder afokaler linsen- und spiegeloptik - Google Patents

Description

• Strahlungsthermometer als handliche vorwiegend batteriebetriebene
• Geräte zur berührungslosen Messung der Temperatur von Oberflächen anhand der abgegebenen Wärmestrahlung werden nicht nur im Labor, sondern in jüngster Zeit zunehmend mobil für schnelle Übersichtsmessungen an Maschinen aller Art sowie Produktionsanlagen zur Kontrolle und vorbeugenden Inspektion eingesetzt aber auch an Gebäuden von drinnen und draußen bei Tag und Nacht für Fragen der Energieeinsparung und Schadensfindung.
• Da das Maximum der abgegebenen Wärmestrahlung bei niedrigen Temperaturen weit im Infrarot liegt bei ca. 5 - 10 r muß für die Optik dieser Geräte entweder ein oder mehrere Spiegel verwendet werden oder Linsen aus im allgemeinen für sichtbares Licht nicht transparenten Materialien, wie z B. Germanium. Damit stellt sich das Problem, insbesondere bei Messungen im Abstand mehrerer Meter, Lage und Größe des Meßflecks bzw. generell den Verlauf des Infrarot-Meßstrahlengangs für den Benutzer erkennbar zu machen.
• Einfache Strahlungsthermometer verfügen nur über Peilmarken an der äußeren Gehäusewand, aufwendigere Geräte mit Spiegeloptik besitzen optische Durchblicksucher oder benutzen eine Lichtmarke aus einer eingespiegelten Pilotlampe.
• Diese Lösungen haben deutliche Nachteile für die genannten Einsatzfälle. Beim bloßen Peilen wird keine Information über in der Regel rasch zunehmende Meßfleckgröße erhalten. Durchblicksucher und Pilotlampe erfordern einen erhöhten Aufwand, wobei der Durchblicksucher auf günstige Lichtverhältnisse beschränkt ist, er versagt im Dunkeln.
• Der hohe Leistungsbedarf konventioneller Lampen für eine gut sichtbare Beleuchtungsstärke bei Tageslicht schließt in der Regel Batteriebetrieb aus.
• Kürzlich ist eine Anordnung beschrieben worden (Laser Focus Heft 8, Seite 32-33, 1981), die ein einfaches Strahlungsthermometer -ursprünglich nur mit Peilmarken ausgestattet- mit einem HeNe-Laser zur Kennzeichnung des kleinsten Meßflecks kombiniert. Nach dieser wenig detaillierten Beschreibung ist bei dieser Anordnung die Laserröhre außen auf dem Gehäuse des Strahlungsthermometers montiert. Der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und der erste unaufgeweitete Strahl in den Infrarotstrahlengang eingespiegelt, so daß er paraxial austritt. Der zweite Laserstrahl wird aufgeweitet und verläuft etwas versetzt und schräg zur Achse des Strahlungsthermometers. Um eine scharfe Infrarot-Abbildung des Untersuchungsobjekts im kleinsten Meßfleck zu gewährleisten, hat der Benutzer den Meßabstand so zu variieren, daß der unaufgeweitete Laserstrahl zentrisch in dem aufgeweiteten sitzt.
• Als Vorzüge dieser Anordnung werden das wesentlich vereinfachte Zielen genannt, sowie die Möglichkeit, bei schlechten Lichtverhältnissen das Objekt zu beleuchten.
• Trotz einer beigefügten Skizze der Anordnung bleiben viele Fragen offen, z . B. nach der Art der Strahlaufweitung sowie nach Ausgangsleistung und Spannungsversorgung des Lasers. Es wäre eine starke Einschränkung des Gebrauchsnutzens des ursprünglich batteriebetriebe -nen Geräts, falls zur Erzielung der nötigen Beleuchtungsstärke im aufgeweiteten Strahl ein Laser mit Netzanschluß erforderlich würde.
• Während der Neigungswinkel der beiden Strahlen zueinander durch die Abbilclungsverhältnisse des Strahlungsthermometers und den Versatz der Strahlenmitten zueinander bestimmt ist, ist die Größe des Versatzes selbst offenbar rein zufällig -vermutlich durch Gehäuse-und Laserdurchmesser- gegeben, jedenfalls nicht erkennbar mit den optischen Abbildungsverhältnissen, dem Distanzverhältnis, der Infrarotoptik zugeordnet.
• Aufgrund der verwendeten Art der Einspiegelung des unaufgeweiteten Laserstrahls ist diese Anordnung nicht auf Strahlungsthermometer mit Linsenoptik übertragbar.
• Es stellt sich deshalb die Aufgabe, für Strahlungsthermometer vorzugsweise mit Linsenoptik eine aktive Visier-Einrichtung unter Einsatz eines batteriebetriebenen HeNe-Lasers kleiner Leistung zur Meßfleckkennzeichnung zu entwickeln, die sowohl die Lage des kleinsten Meßflecks als auch bei größeren Entfernungen den Öffnungswinkel des Meßstrahlengangs, gegeben durch das Distanzverhältnis des Strahlungsthermometers, eindeutig kennzeichnet. Diese Visier-Einrichtung soll ohne einen Eingriff in die Optik des Strahlungsthermometers auskommen, d . h. ohne Benutzung teurer transparenter Materialien oder Durchbohren der Germanium-Linse. Sie soll leicht genug für einen längeren mobilen Einsatz aus der Hand und gleichzeitig mechanisch stabil und gegen l Umwelteinflüsse geschützt sein, um harten Einsatz drinnen und draußen, sowie Stöße durch unsanftes Ablegen ohne Dejustage vertragen zu können. Darüberhinaus soll das gesamte Gerät aus einer Batterie versorgt werden, wobei trotz kompakten Aufbaus Störungen der Strahlungsthermometer-Elektronik durch Zünden und Betrieb des Lasers sicher ausgeschlossen sein müssen. Ferner soll die Laserstrahl-Visiereinrichtung konstruktiv so ausgelegt sein, daß die serienmäßig hergestellten Strahlungsthermometer verschiedener Hersteller integriert werden können, wobei keine oder nur geringfügige mechanische bzw. elektrische Modifikationen erforderlich sind Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für Strahlungsthermometer mit in endlicher Entfernung abbildender, "fokaler" Infrarot-Optik dadurch gelöst, daß der Strahl (13) eines batteriebetriebenen Miniatur-He-Ne-Lasers von ca. 1 mW Ausgangsleistung durch Strahlteiler (8) in zwei unaufgeweitete Teilstrahlen (13>) und (13>>) aufgeteilt wird, die in einer Ebene mit der optischen Achse des Infrarot-Strahlungsthermometers in einem charakteristischen Abstand außerhalb der Infrarot-Optik (3) mit einem Neigungswinkel zueinander entsprechend dem Distanzverhältnis austreten.
• Bei dieser neuartigen Strahlführung schneiden sich beide Strahlen und kennzeichnen dadurch die Lage des kleinsten Meßflecks. Im größeren Abstand laufen sie mit der für das Distanzverhältnis des Strahlungsthermometers charakteristischen Winkeldivergenz auseinander, so daß die beiden roten Punkte der unaufgewetteten Laserstrahlen (13') und (13'>) auf dem Untersuchungsobjekt jeweils einen Durchmesser des Meßflecks bezeichnen, in der in Zeichnung 1 skizzierten Anordnung den senkrechten. Wenn für Strahlteiler (8), Umlenkspiegel (7 und 7>) und Austrittsfenster (16) einfache Glasoptiken ohne spezielle Anti-Reflex-Beschichtung eingesetzt werden, liegt die Leistung der austretenden Laserstrahlen (13' und 13'') unter 0,3 mW und ist infolge des Lidschlußreflexes bei zufälliger direkter Betrachtung nicht mehr gefährlich für das Auge. Bei dieser geringen Leistung sind die Lasermarken bei Tageslicht auf hellem Untergrund, wie z . B. Gebäudewänden auf ca. 10 m, bei Dunkelheit auf ca. 20 m Meßabstand ererkennbar Bei Strahlungsthermometern mit nicht in endlicher Entfernung abbildender, " a fokaler" Infrarot-Optik treten die Laserstrahlen ohne sich zu schneiden mit dem dem Distanzverhältnis entsprechenden Divergenzwinkel aus. Die Anpassung der Divergenz der Laserstrahlen (13> und 13") an das Distanzverhältnis des Strahlungsthermometers wird durch Drehen des Strahlteilers (8) und des Wmlenkspiegels (7') hilfsweise aercrh des Ümlenkspiegels (7) um ihre zur Strahlebene senkrechten Mittelachsen sowie durch Verschieben auf der Montageebene (6) vorgenommen. Zur routinemäßigen Justage der Komponenten (7> 7' und 8) auf ein bestimmtes Distanzverhältnis kann die Moritageebene (6) mit entsprechenden Anschlägen ausgestattet werden.
• Der mechanisch-optische Aufbau wird erfindungsgemäß durch ein hermetisch geschlossenes Außengehäuse (10) realisiert, in dem sich in schwimmender und durch elastische Zwischenstücke (14) z.B. aus Gummi, stoßgedämpfter Aufhängung eine Halterung (11) zur gegeneinander starren Montage aller optischen Teile befindet. Diese Halterung in Form eines "H" vorzugsweise aus Aluminium teilt das äußere Gehäuse (10) ebenfalls aus Aluminium oder faserverstärkter Plastik in mehrere Kammern, in denen -jeweils an dem H-förmigen Innenteil befestigtder Korpus des Strahlungsthermometers (1) über die Halterung (2), die Laserröhre (4) über die Halterungen (5) mit der isolierten Durchführung (12) sowie die optischen Bauteile (8,7,7') auf der Montageebene (6) starr befestigt sind. Die innere Halterung (11) dient zusätzlich sowohl der elektromagnetischen Abschirmung wie auch zur Verteilung und Abführung der von der Laserröhre erzeugten Wärme. Der hermetische Abschluß zur Außenwelt als Staub- und Feuchtiakeitsschutz wird durch die Austrittsfenster (16) sowie ebenfalls schwimmend durch den O-Ring (15) gewährleistet. Das Netzmodul (9) zur Laserversorgung sitzt zur besseren Wärmeabfuhr direkt am äußeren Gehäuse (10).
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der linke Schenkel der inneren Halterung (11) so ausgebildet, daß er direkt den Strahlungsthermometer-Korpus (1) mit der Befestigung (2) aufnehmen kann, die der Hersteller des Strahlungsthermometers serienmäßig für die Montage in sein Originalgehäuse vorgesehen hat. Dadurch ist eine kostengünstige und funktionssichere Integration der gesamten Familie von Strahlungsthermometern einer Serie mit unterschiedlichen Temperaturbereichen und unterschiedlichen fokalen oder afokalen Optiken in die Laserstrahl-Visiereinrichtung möglich.
• Zur Integration in die Laserstrahl-Visiereinrichtung wird nur der Korpus des Strahlungsthermometers, das ist die optisch-elektronische Funktionseinheit, nicht aber das äußere Gehäuse benötigt. Er ist in der benötigten Form produktionsseitig eine abrufbare Zwischenstufe der Serienfertigung; aus fertigen Geräten, z B. im Fall der Nachrüstung, kann er justiert und kalibriert aus dem Original-Gehäuse ausgebaut werden.
• Zur Integration der Strahlungsthermometer unterschiedlicher Hersteller mit abweichenden Abmessungen werden erfindungsgemäß an der Laserstrahl-Visiereinrichtung nur die Abmessungen des Gehäuses (10) sowie der Halterung (11) entsprechend geändert unter Beibehaltung des prinzipiellen Aufbaus und der Strahiführung. Bei den gut durchkonstruierten Seriengeräten der führenden Strahlungsthermometerhersteller sind keine oder nur geringfügige weitere mechanische Änderungen erforderlich. So können in 3 bis 5 in den Abmessungen unterschiedlichen aber im Aufbau gleichartigen Laserstrahl-Visiereinrichtungen etwa 60 - 80 % der marktgängigen Strahlungsthermometer für mobilen Einsatz vorzugsweise aus der Hand integriert werden.
• Auch Strahlungsthermometer mit Spiegeloptik sind prinzipiell integrierbar.
• Zeichnung 1 zeigt maßstäblich ein Ausführungsbeispiel der Laserstrahl-Visiereinrichtung mit einem integrierten Strahlungsthermometer-Korpus aus der KT 15-Serie der Firma Heimann GmbH, Wiesbaden. Diese Geräteserie zusammen mit baugleichen Spezialversionen, z . B. der Serie KT 14, ist mit 5-stelligen Produktionszahlen eines der am Markt: besteingeführten Strahlungsthermometer und zugleich das kompakteste Gerät seiner Art.
• Als HeNe-Laser ist der Miniatur-Laser Typ LGR 7624 mit Netzgerät LGN 7457, Hersteller Siemens, der nach Angaben des Herstellers weltweit der kleinste serienmäßig hergestellte HeNe-Laser seiner Leistungsklasse und für Batteriebetrieb geeignet ist, eingesetzt.
• Damit stellt die in Zeichnung 1 skizzierte Anordnung der Laserstrahl-Visiereinrichtung mit dem intewrierten Scrahlunçschermometer das kleinste und kompakteste Kombinationsgerät dar, das mit marktgängigen Komponenten realisierbar ist, mit einem Gewicht von unter 1 kg.
• Batterie ( NiCd-Akkumulator) und Anzeigeinstrument (Digitalanzeige) sind in einer separaten Tragetasche untergebracht, mit der die Laserstrahl-Visiereinrichtung einschließlich Strahlungsthermometer über Kabel steckbar verbunden sind. Für den mobilen Einsatz wird an der Unterseite des Gehäuses (10) unterhalb des Schwerpunktes ein Pistolengriff für Einhandbedienung angebracht. Der Laserstrahl wird bei Bedarf über einen Druck taster eingeschaltet. Über einen zweiten unabhängigen Drucktaster wird für die Dauer der Betätigung die angezeigte Temperatur gespeichert, so daß Zielen mit der Laserstrahl-Visiereinrichtung und Ablesen der ermittelten Temperatur auf der Anzeige zwei entkoppelte Tätigkeiten sind.
• Die besonderen Vorzüge eines Strahlungsthermometers mit Laserstrahl- Visiereinrichtung in der angegebenen Anordnung bestehen in der mechanischen Robustheit, dem geringen und ergonomisch günstig verteilten Gewicht, die auch längerfristigen Einsatz mit nur einer Hand ermöglicht; wobei beide Augen des Gerätebedieners freibleiben. Dieser Punkt ist besonders wichtig für den Einsatz in gefährlicher Umgebung, z . B. bei der Inspektion hochspannungsführender Anlagen. Die hohe Beleuchtungsstärke der unaufgeweiteten, aber nicht augengefährlichen Laserstrahlen im Zusammenhang mit dem Batteriebetrieb ermöglichen flexiblen Einsatz bei Tag und Nacht, drinnen und draußen. Durch die deutlich gekennzeichnete Lage und Größe des Meßflecks unter praktisch allen Lichtverhältnissen wird die Meßsicherheit verbessert. Auch Begleiter des Gerätebenutzers können während der Messung die Lage des Meßflecks sehen, was insbesondere bei Lokalterminen, z . B zur Ortung thermischer Schwachstellen an Anlagen und Gebäuden, ein wichtiger Vorteil gegenüber herkömmlichen optischen Suchern darstellt.
• L e e r s e i t e

Claims (4)

1. Patentansprüche )Laserstrahl-Visiereinrichtung zur Kennzeichnung von Lage und Durchmesser des Meßflecks für St rahlungsthermometer mit fokaler oder afokaler Linsen- und Spiegeloptik, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Vorrichtung zwei in einer Ebene liegende unaufgeweitete Laserstrahlen von augenungefrAhrlicher Intensität mit einem dem Distanzverhältnis der Infrarot-Optik des Strahlungsthermometers entsprechenden Winkel zueinander und deshalb in einem charakteristischen Abstand so an der Infrarot-Optik außen ohne Eingriff vorbeigeführt werden, daß die optische Achse der Infrarot-Optik in der Ebene der Laserstrahlen liegt, was durch mechanische Integration des Strahlungsthermometer-Korpus in die Vorrichtung selbst erreicht wird.
2. 2. Laserstrahl-Visiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Realisierung der Strahiführung nach Anspruch 1 aus einer starren inneren Halterung mit Montageflächen für die benötigten optischen Teile besteht, die sich schwimmend und stoßgedämpft in einem äußeren hermetisch geschlossenen Gehäuse befindet.
3. 3. Laserstrahl-Visiereinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Zeichnung 1 zur kostengünstigen und funktionssicheren Integration eines Strahlungsthermometers mit fokaler Linsenoptik die innere Halterung zusätzlich so ausgeführt wird, daß der Strahlungsthermometer-Korpus direkt mit der Original-Montagevorrichtung des Herstellers direkt eingesetzt werden kann.
4. 4. Laserstrahl-Visiereinrichtung nach Anspruch 1. und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zur Integration der serienmäßigen Strahlungsthermometer unterschiedlicher Hersteller die Abmessungen der inneren Halterung und des äußeren Gehäuses sowie die Aufnahme für die Montagevorrichtung herstellerspezifisch modifiziert werden unter Beibehaltung des prinzipiellen Aufbaus und der Strahiführung, so daß mit wenigen herstellerspezifisch ausgelegten Laserstrahl-Visiereinrichtungen der größte Teil der marktgängigen serienmäßigen Strahlungsthermometer integriert bzw.

   nachgerüstet werden kann.