DE3713642C2 - Infrarot-Pyrodetektorsystem, geeignet zur Temperaturmessung von Körpern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Infrarot-Pyro­ detektorsystem, das zur Temperaturmessung von einem Körper durch Auswertung der von diesem auf ein Detektorsystem ausgesandten Infrarotstrahlung geeignet ist.

Es sind Strahlungs-Temperatursensoren bekannt, die als sensor­ empfindliches Material Lithiumtantalat oder ähnliches Ein­ kristallmaterial haben. Aufgebaut sind solche bekannten De­ tektoren so, daß zwei aus derartigem Material bestehende Sen­ soren zusätzlich voneinander verschiedene Infrarotfilter be­ sitzen. Ein jeder der beiden Sensoren wird mit von dem Körper ausgesandter Infrarotstrahlung beaufschlagt, und zwar ent­ sprechend den voneinander verschiedenen Filtern mit Strahlung zweier voneinander verschiedener Wellenlängenbereiche. Aufgrund des bekannten Wien′schen Verschiebungsgesetzes kann aus dem Intensitätsverhältnis der elektrischen Signale der beiden auf die verschiedenen Wellenlängenbereiche ansprechenden Sensoren auf die Temperatur des strahlenden Körpers rückgeschlossen werden. Eine alternative Ausführung eines solchen Detektor­ systems hat Filter, die zeitlich nacheinander vor nur einen einzelnen erforderlichen Sensor geschwenkt werden. Hier erfolgt die Auswertung nach dem Wien′schen Verschiebungsgesetz mit Hilfe der zeitlich aufeinanderfolgend zu erhaltenden Detektor­ signale.

Aus der Druckschrift US 4 258 260 ist ein Pyrodetektor mit einem polymeren pyroelektrischen Material, wie PVDF, bekannt. Er besitzt zwei Sensoren, die auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Trennwand so angeordnet sind, daß Strahlung eines Körpers auch nur jeweils einen dieser Sensoren als Meßsensor treffen kann. Diese Sensor hat eine strahlungsdurchlässige Elektrode zur Nutzung der Eigenabsorption des Materials. Für diesen einen Sensor kann außerdem fakultativ ein Filter vorgesehen sein, das einen vorgebbaren Wellenlängenbereich der Strahlung durchlässig ist, und zwar ohne daß dieses Filter eine für die Wirkungsweise des Filters entscheidende Bedeutung hätte.

In der Technik gibt es viele Fälle, in denen ein technisch ein­ fach aufgebauter und wenig aufwendiger Temperatursensor benötigt wird, z.B. um verschieden heiße Körper lediglich von­ einander unterscheiden zu können, ohne daß eine exakte Tempera­ turmessung erforderlich wäre. Solche Anwendungsfälle liegen z.B. auf dem Gebiet der Robotik und der automatischen Fertigung. Auch in der Regelungstechnik bieten sich Anwendungen für einfache Pyrodetektorsysteme.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Infrarot-Pyro­ detektorsystem mit einem solchen Aufbau anzugeben, der nur ge­ ringen technischen Aufwandes bedarf, aber dennoch ausreichendes Detektions- und/oder Unterscheidungsvermögen hinsichtlich warmer und insbesondere heißer Körper hat.

Diese Aufgabe wird mit einem Pyrodetektorsystem mit den Merk­ malen des Patentanspruches 1 gelöst und die Unteransprüche geben weitere Ausgestaltungen eines solchen erfindungsgemäßen Systems an.

Die vorliegende Erfindung beruht auf Erkenntnissen, die aus der Benutzung von Pyrodetektoren gewonnen worden sind, die Sensoren bzw. Sensorelemente besitzen, für die als pyroelektrisch wirk­ sames Material Polyvinylidendifluorid-(PVDF)-Material, ins­ besondere -Folie, verwendet ist. Zum Beispiel sind aus den deutschen Patenten 29 30 632 und 36 16 374 PVDF-Pyrodetek­ toren bekannt, die mit relativ geringem Aufwand herstellbar sind, dennoch aber außerordentlich leistungsfähig sind. Als Sensor bzw. Sensorelement ist dort PVDF-Folie mit einer Dicke im Bereich zwischen 5 bis 30 µm verwendet, wobei die Folie vorzugsweise freitragend in einem Rahmen aufgespannt ist. Elektroden auf der Folienoberfläche, vorzugsweise einander auf den beiden Folienoberflächen gegenüberliegende Elektroden, bilden den oder einen jeweiligen Sensorbereich bzw. Sensor­ element. Durch einwirkende Infrarotstrahlung entstehende Er­ wärmung des PVDF-Materials im Elektrodenbereich wird durch Änderung der elektrischen Polarisation des PVDF-Materials zwischen den Elektroden des jeweiligen Elektrodenbereiches eine elektrische Spannung als Signal erzeugt. Aus der Höhe der elektrischen Spannung kann bei Berücksichtigung der bekannten Abmessungen und Eigenschaften des PVDF-Materials auf die be­ wirkte Temperaturdifferenz des PVDF-Materials geschlossen bzw. diese bestimmt werden.

Bei der Erfindung ist für das Pyrodetektorsystem vorgesehen, daß dieses wenigestens zwei Sensoreinrichtungen hat, die für voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche der Infrarot­ strahlung empfindlich sind. Nach dem schon oben erwähnten Wien′schen Verschiebungsgesetz kann bereits aus zwei Signalwerten, die Intensitäten zweier verschiedener Wellen­ längenbereiche repräsentieren, auf die Temperatur des detek­ tierten Körpers bzw. zu erfassenden Körpers geschlossen werden.

Bei der Erfindung ist zum einen der Effekt ausgenutzt, daß PVDF-Material eine erhebliche Selektivität der Empfindlichkeit für Strahlung des Wellenlängenbereiches 7 bis 10 µm besitzt. Dieser an sich bekannte Umstand ist bei der Erfindung in sehr sinnvoller Weise dadurch genutzt, daß das Pyrodetektorsystem zum einen einen solchen selektiven Sensor besitzt und der andere erforderliche wellenlängenselektive Sensor ein solcher ist, der über diesen Wellenlängenbereich 7 bis 10 µm hinaus­ gehend empfindlich ist.

Breitbandige Sensorempfindlichkeit besitzt einen Pyrodetektor, der ein Absorptionsmedium, vorzugsweise eine Absorptionsschicht, besitzt, von der die dort absorbierte Wärme unmittelbar auf das PVDF-Material übertragen wird. Nach diesem Prinzip arbeiten z.B. Pyrodetektoren der obengenannten Patente. Die gestellte Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch besonders vorteilhaft gelöst, daß eine Differenzauswertung erfolgt, und zwar zwischen dem schon erwähnten Sensor, der im Bereich von 7 bis 10 µm eigenabsorptions-empfindlich ist, und einem Sensor, der über diesen Wellenlängenbereich hinausgehend breitbandiger empfind­ lich ist. Vorzugsweise ist eine breitbandige Empfindlichkeit im Bereich von 3 bis 10 µm für den zweiten Sensor vorgesehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt ein Infrarot-Pyrodetektor­ system gemäß der Erfindung mit auf einer PVDF-Folie nebeneinander angeordneten Sensoren und

Fig. 2 zeigt einen alternativen Aufbau mit in Richtung der Einstrahlung hintereinander liegend angeordneten PVDF-Sensoren.

Die Schnittansicht der Fig. 1 zeigt mit 2 bezeichnet eine PVDF-Folie, auf deren Oberfläche 3 zwei Elektroden 4 und 5 aufgebracht sind. Diese Elektroden 4 und 5 können auch eine einzige gemeinsame Elektrode bilden. Mit 6 ist eine auf der gegenüberliegenden Oberfläche 7 der Folie 2, der Elektrode 5 gegenüberliegend angeordnete, transparente Elektrode bezeichnet. Transparent ist diese Elektrode 6 für wenigstens den Bereich von 7 bis 10 µm Infrarot-Wellenlänge, nämlich für den Wellen­ längen-Bereich, in dem PVDF-Material hohe Eigenabsorption aufweist. Mit 8 ist eine zweite Elektrode auf der Oberfläche 7 der Folie 2 bezeichnet. Mit 9 ist eine Absorptionsschicht für die Infrarotstrahlung bezeichnet. Zum Beispiel besteht diese Schicht aus einem schwarzen Lack.

Ein für das Detektorsystem der Fig. 1 vorgesehene Infrarot- Filter ist mit 10 bezeichnet. Die von dem zu detektierenden bzw. zu messenden Körper 11 ausgehende Infrarotstrahlung 12 wird mit Hilfe des Filters 10 derart gefiltert, daß nur noch Infrarotstrahlung des Wellenlängenbereiches von 10 µm bis z.B. 3 µm durchgelassen wird. Diese gefilterte Strahlung 13 trifft gleichermaßen auf den Sensor 14 mit dem Elektrodenpaar 4, 8 und den Sensor 15 mit dem Elektrodenpaar 5, 6. Das Material der Absorptionsschicht 9 ist so gewählt, daß von diesem Material die gesamte Strahlung des Wellenlängenbereiches 3 bis 10 µm absorbiert wird. Die aus der Absorption aufgenommene Wärme wird an das PVDF-Material weitergegeben, das sich zwischen den Elektroden 4 und 8 befindet. Diese Wärmeaufnahme führt zu einem entsprechenden elektrischen Signal zwischen den Anschlüssen 16. Die Eigenabsorption der PVDF im Wellenlängenbereich 7 bis 10 µm der auftreffenden Strahlung 13 führt zu einer Erwärmung des PVDF-Materials zwischen den Elektroden 5 und 6, d.h. des Sen­ sors 15. Dies führt zu einem elektrischen Signal an den An­ schlüssen 17. Bildet man jetzt die Signaldifferenz zwischen den Signalen der Anschlüsse 16 und 17, so erhält man ein Detektor­ signal, das zu erhalten wäre, wenn der Sensor 14 nur Strahlung des Wellenlängenbereichs 3 bis 7 µm (und nicht auch bis 10 µm) empfangen hätte. Man erhält also aus dieser Differenzbildung ein Signal für den einen Wellenlängenbereich 3 bis 7 µm und ein Signal für den davon verschiedenen Wellenlängenbereich 7 bis 10 µm. Die Auswertung unter Hinzunahme des Wien′schen Verschie­ bungsgesetzes ermöglicht die Ermittlung eines wenigstens ange­ näherten Temperaturwertes des Körpers 11.

Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der die zwei Sensoren 14 und 15 des Detektorsystems für die Infrarotstrahlung 12 bzw. 13 hintereinandergeschaltet angeordnet sind. Einzelheiten der An­ ordnung der Fig. 2, die mit denen der Fig. 1 übereinstimmen, haben entsprechend übereinstimmende Bezugszeichen und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Anstelle der in Fig. 1 der Ein­ fachheit halber undurchlässigen Elektrode 5 ist bei dem Sensor 15 eine entsprechend der Elektrode 6 ebenfalls transparente Elektrode 61 vorgesehen, nämlich damit die Strahlung 113 den gesamten im PVDF des Sensors 15 nicht absorbierten Spektralan­ teil 3 bis 7 µm umfaßt. Der Spektralanteil von 7 bis 10 µm ist bereits durch Eigenabsorption des PVDF-Materials des Sensors 15 wegabsorbiert. Der Sensor 15 liefert bei der Ausführungsform der Fig. 2 zwischen den Anschlüssen 17 das der Ausführungsform der Fig. 1 entsprechende elektrische Signal. Zwischen den Anschlüssen 116 des Sensors 14 der Ausführungsform der Fig. 2 erhält man jedoch nur noch das Signal für den Wellenlängenbe­ reich 3 bis 7 µm. Die Anwendung des Wien′schen Verschiebungs­ gesetzes erfolgt hier ohne die Differenzbildung der Ausführungs­ form nach Fig. 1 und liefert das entsprechende Temperatur­ signal des Körpers 11.

Je nach Anwendungsfall ist ein erfindungsgemäßes Infrarot- Pyrodetektorsystem, insbesondere ein solches nach den Aus­ führungsformen der Fig. 1 oder 2 in einer der betreffenden Anwendung entsprechenden Weise eingebaut. Zum Beispiel kann ein solches Pyrodetektorsystem in einem Spiegelsystem des Patentes 29 30 632 eingebaut sein.

Claims (3)

1. Infrarot-Pyrodetektorsystem, geeignet zur Temperaturmessung von einem Körper durch Auswertung der von diesem auf ein Detektorsystem ausgesandten Infrarotstrahlung,

• - mit zwei für voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche empfindlichen pyroelektrischen Sensoren (14, 15), für die Polyvinylidendifluorid-Material als pyroelektrisch wirksames Material verwendet ist,
• - mit zwei, diese Sensoren jeweils bildenden Elektrodenbereichen (4/8, 5/6; 4/8, 61/6) mit auf den gegenüberliegenden Oberflächen (3, 7) des Materials befindlichen wenigstens je zwei Elektroden (4 und 8, 5 und 6; 4 und 8, 61 und 6), von denen wenigstens die bestrahlte Elektrode (6) des einen von dem Körper bestrahlten Sensors zur Nutzung der Eigenabsorption des Polyvinylidendifluorid-Materials dieses Sensors (15) eine transparente Elektrode (6) ist und
• - der andere, von diesem Körper ebenfalls bestrahlte Sensor (14) einen für einen ausgewählten vorgegebenen Wellenlängenbereich (13) der Infrarotstrahlung dieses Körpers (11) im wesentlichen undurchlässige Absorptionsschicht (9) besitzt und
• - mit einem zwischen dem Körper (11) und dem Detektorsystem angeordneten Filter (10), das den vorgebbaren Wellenlängenbereich (13) der gesamten Infrarotstrahlung (12) des Körpers (11) hindurchläßt, wobei dieser Wellenlängenbereich (13) größer als der Wellenlängenbereich (7 bis 10 µm) der Eigenabsorption des Polyvinylidendifluorid-Materials bemessen ist.

2. Pyrodetektorsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß die zwei Sensoren (14 und 15) bezogen auf die einfallende Infrarotstrahlung (12) und bezogen auf das Filter (10) neben­ einanderliegend angeordnet sind.

3. Pyrodetektorsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zwei Sensoren (14 und 15) bezogen auf die einfallende Infrarotstrahlung (12) und bezogen auf das Filter (10) hinter­ einanderliegend angeordnet sind.