DE19520035C1 - Contactless measurement of surface moisture of objects - Google Patents
Contactless measurement of surface moisture of objectsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächenfeuchte von Objekten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for non-contact measurement of the surface moisture of objects according to Preamble of claim 1.
Das Verfahren findet insbesondere Anwendung in der Bauwirt schaft zum Erhalt von Informationen über die Oberflächen feuchte sowie zur Erstellung von bauphysikalischen Gutachten, in der Nahrungsgüterwirtschaft, z. B. bei der Lebensmittel kontrolle und zur Feuchtebestimmung durch Verpackungsmate rialien hindurch, in der Arzneimittelproduktion zur Bestim mung der Feuchte von Objekten, welche in Folie eingeschweißt sind, z. B. von Tabletten, in der Klimatechnik bei der Kon trolle und Wartung von Klima- und Heizungsanlagen, in der Lager- und Materialgüterwirtschaft zur Beurteilung des Zustandes von Holz- und anderen Baustoffen wie Gips, Kalk, Mörtel, Beton und Ziegel, weiterhin von Schüttgut, Getreide, Papier und dergleichen, in der Agrar- und Forstwirtschaft zur Beurteilung des Vegetations- und Vitalitätszustandes sowie zur Erfassung des Schädlingsbefalls land- und forstwirt schaftlicher Kulturen, zur Bereitstellung von Daten für Wachstumsmodelle und Ertragsprognosen, zur Bewässerungs- und Befeuchtungsplanung, zur Bestimmung des optimalen Saat- und Pflanzengutes sowie zur Bestimmung des Trocknungsgrades von Getreiden und ähnlichem.The method is used in particular in the builder shaft for obtaining information about the surfaces damp and for the preparation of building physics reports, in the food industry, e.g. B. in food control and for moisture determination by packaging material rialien through, in drug production to the determin measurement of the moisture of objects, which are sealed in foil are, e.g. B. of tablets, in air conditioning at the Kon trolls and maintenance of air conditioning and heating systems in the Warehousing and material goods management to assess the Condition of wood and other building materials such as plaster, lime, Mortar, concrete and brick, still bulk goods, grain, Paper and the like, in agriculture and forestry Assessment of the state of vegetation and vitality as well for recording pest infestation by farmers and foresters cultures, to provide data for Growth models and yield forecasts, for irrigation and Humidification planning, to determine the optimal seed and Plant material and to determine the degree of dryness of Cereals and the like.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 24 160 A1 ist ein Verfahren zur Prüfung der Wasserdurchlässigkeit von Außen wänden, vorrangig aus Mauerwerk, und/oder zur Untersuchung schlechter Raumdurchlüftung bekannt.From the German patent application DE 37 24 160 A1 is a External water permeability test walls, primarily masonry, and / or for examination poor ventilation is known.
Dort wird vorgeschlagen, an der Außenwand eines Objektes, vorrangig raumseits, die Oberflächentemperatur zu bestimmen und zusammen mit den sich aus der Außen- und Raumtemperatur theoretisch ergebenden Werten die Verdunstungskälte oder Kondensationswärme in bzw. an der Wand zu ermitteln, wobei ein erhöhtes Maß an auftretender Verdunstungskälte indirekt auf eine Wasserdurchlässigkeit und ein erhöhtes Maß an Kondensationswärme auf eine schlechte Raumdurchlüftung hinweisen soll.It is proposed there, on the outer wall of an object, primarily on the room side to determine the surface temperature and together with those from outside and room temperature theoretically resulting values the evaporative cold or To determine the heat of condensation in or on the wall an increased degree of evaporative cold occurring indirectly for water permeability and an increased level of Condensation heat due to poor room ventilation should indicate.
Dort wird also nach Messung der Außen- und Raumtemperatur mit überschlägig für die Auswahl kalkulierten Wärmeübergangs widerständen und einem bekannten k-Wert eine Berechnung der raumseitigen Oberflächentemperatur vorgenommen. Parallel hierzu wird die tatsächliche Oberflächentemperatur gemessen, um dann bei markant erhöhten Temperaturwerten auf Kondensa tionswärme zu schließen und bei zu niedrigen Werten eine Wasserdurchlässigkeit mit Verdunstungskälte anzunehmen. Bei dem Verfahren gemäß DE 37 24 160 A1 ist es also notwendig, Wärmeübergangswiderstände zu ermitteln und einen bautechnisch vorgegebenen k-Wert zu kennen, um dann eine stark fehlerbe haftete, diesen Werten entsprechende Oberflächentemperatur zu berechnen. Aus einer aufwendigen Messung der tatsächlichen Oberflächentemperatur und dem Vergleich der theoretisch ermittelten und der tatsächlichen Temperatur wird dann auf Kondensationswärme oder Verdunstungskälte, je nach dem erhaltenen Vergleichsergebnis, geschlossen. Die Temperatur erfassung erfolgt dabei nur punktuell, die Bestimmung der Oberflächenfeuchte über einen großen Abschnitt mit anschlie ßender einfacher Kalibrierung ist nicht bzw. nur mit hohem Aufwand möglich.So there after measuring the outside and room temperature rough for the selection of calculated heat transfer resistances and a known k value a calculation of the surface temperature on the room side. Parallel the actual surface temperature is measured, and then at significantly higher temperature values on condensate close heat and if the values are too low a Assume water permeability with evaporative cooling. At the method according to DE 37 24 160 A1 it is therefore necessary To determine heat transfer resistances and a construction to know the predetermined k-value in order to then make a strong error adhered to these values corresponding surface temperature to calculate. From an elaborate measurement of the actual Surface temperature and comparing it theoretically determined and the actual temperature is then on Condensation heat or evaporative cooling, depending on the obtained comparison result, closed. The temperature Registration is only carried out selectively, the determination of the Surface moisture over a large section with Eating simple calibration is not or only with high Effort possible.
Die DE-OS 30 42 866 A1 offenbart ein Verfahren zur meßtech nischen Erfassung und Darstellung von kapillar-aufsteigender Feuchtigkeit an porösen Werkstoffen oder Bauwerken. Das dort gezeigte Verfahren basiert darauf, sehr geringe Temperatur unterschiede und Thermogradienten an porösen Werkstoffen, wie z. B. den Oberflächen von Mauerwerken bzw. Gebäuden zu bestimmen. Hierfür werden die porösen Werkstoffe bzw. Bau werke in vertikaler Richtung und in Intervallabschnitten von ca. 5 bis 50 cm mit auf Temperatur reagierenden Sensoren abgetastet. Die Sensoren sollen eine Auflösung von mindestens 0,2°C besitzen. Die derart aufwendig ermittelten Thermodaten werden dann tabellarisch oder graphisch in Relation zur geo metrischen Ausdehnung des untersuchten porösen Werkstoffes aufgetragen, so daß Thermogradienten feststellbar sind.DE-OS 30 42 866 A1 discloses a method for measuring technology African capture and display of capillary ascending Moisture on porous materials or structures. That there method shown is based on very low temperature differences and thermal gradients on porous materials, such as e.g. B. the surfaces of masonry or buildings determine. For this, the porous materials or construction works in the vertical direction and in intervals of approx. 5 to 50 cm with sensors reacting to temperature scanned. The sensors should have a resolution of at least Have 0.2 ° C. The thermodata determined in such a complex manner are then tabulated or graphically in relation to the geo metric expansion of the investigated porous material applied so that thermal gradients can be determined.
Störfaktoren z. B. durch Hygroskopie bedingt, sollen dadurch verhindert werden, daß Feuchtigkeit, die durch derartige hygroskopische Effekte verursacht wird und sich quasi als konzentrische Thermo-Äquipotentiallinien darstellt, bei der weiteren meßtechnischen Auswertung unberücksichtigt bleibt.Disruptive factors e.g. B. caused by hygroscopy, should prevent moisture caused by such hygroscopic effects is caused and quasi as represents concentric thermal equipotential lines where further metrological evaluation remains unconsidered.
Um den Aufwand beim Abtasten des Mauerwerkes in mehr oder weniger großen Schritten zum Erhalt der Thermo-Äquipoten tiallinien zu verringern, wird vorgeschlagen, ein abbildendes Infrarot-Sensormeßgerät mit einer Temperaturauflösung von ±0,05°C zu verwenden. To the effort when scanning the masonry in more or less big steps to preserve the thermal equipotes To reduce line lines, it is proposed an imaging Infrared sensor measuring device with a temperature resolution of ± 0.05 ° C to use.
Alles in allem greift das in der DE 30 42 866 A1 beschriebene Verfahren auf eine meßtechnische Ermittlung sich ausbildender örtlicher Temperaturunterschiede im zu untersuchenden Mauer werk zurück, wobei jedoch das Problem besteht, daß sich Temperaturunterschiede erst sekundär nach bereits vorhandener Feuchte ausbilden. Demnach ist das dort gezeigte Verfahren nur auf bestimmte ohnehin trägheitsbehaftete Anwendungsfälle beschränkt und seine Meßgenauigkeit unzureichend sowie bezüglich des meßtechnischen Aufwandes vor Ort zu kosten intensiv. All in all, the one described in DE 30 42 866 A1 applies Method based on a metrological determination local temperature differences in the wall to be examined factory back, but there is the problem that Temperature differences only secondarily after existing ones Train moisture. So the procedure shown there is only for certain use cases that are already inertial limited and its measurement accuracy inadequate as well to cost on site with regard to the metrological effort intensive.
Aus DE 32 04 146 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Zusam mensetzung und örtlichen Konzentration von Stoffen an Ober flächen bekannt. Dort wird vorgeschlagen, daß die zu unter suchende Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung im In frarot-Bereich beaufschlagt und die reflektierte Strahlung von einer Infrarot-Kamera abgebildet wird. In dem Falle, wo das einfallende Infrarot-Licht eine Wellenlänge hat, bei der ein bestimmter Stoff an bzw. auf der Meßfläche eine starke Absorption aufweist, wird im Vergleich zu anderen Wellen längenbereichen ohne diese spezifische Absorption das reflek tierte Licht in seiner Intensität verändert. Diese Intensi tätsänderung ist von einem Aufnahmesystem, d. h. der erwähn ten Infrarot-Kamera erfaßbar. Auswerteseitig wird auf eine Hell/Dunkelgrenze als Grenzverlauf für aufsteigende Feuchtig keit abgestellt, wobei verschiedene Schwärzungen verschie denen Feuchtigkeitskonzentrationen entsprechen sollen. Um bei der bekannten Lösung den konkreten Feuchtigkeitsgehalt fest zustellen, ist eine gravimetrische Bestimmung durch Zerlegung des Körpers notwendig, wobei im Ergebnis eines derartigen quasi Eichvorganges eine Tabelle erstellbar ist, in der die Feuchtigkeit in Masseprozent dem vorerwähnten Schwärzungsgrad zugeordnet wird. Bei einer Gegenüberstellung des erhaltenen Infrarot-Bildes zu konkreten Feuchteparametern verschiedener Stoffe ist es vorab notwendig eine Vielzahl von unterschied lichen Materialien hinsichtlich des Feuchteaufnahmevermögens und der oberflächigen Verteilung aufgenommener Feuchte zu be urteilen, was die Auswertung erschwert und zeitlich verzö gert.DE 32 04 146 A1 describes a method for measuring togetherness setting and local concentration of fabrics on top known areas. There it is suggested that the under Seeking surface with electromagnetic radiation in the infrared range and the reflected radiation is imaged by an infrared camera. In the case where the incident infrared light has a wavelength at which a certain substance on or on the measuring surface a strong one Absorbance is compared to other waves ranges without this specific absorption intensity of light. This intensi change of state is from a reception system, d. H. the mentioned Infrared camera can be detected. On the evaluation side, a Light / dark boundary as a boundary for rising damp speed turned off, different blackings differ which should correspond to moisture concentrations. To at the known solution the concrete moisture content to be delivered is a gravimetric determination by decomposition of the body necessary, as a result of such quasi calibration process a table can be created in which the Moisture in percent by mass of the aforementioned degree of blackening is assigned. When comparing the received Infrared image for specific moisture parameters of different Fabrics, it is necessary to make a variety of differences in advance materials with regard to moisture absorption and the surface distribution of absorbed moisture judge what complicates the evaluation and delays device.
Bei dem Feuchtigkeitsmeßgerät zum Untersuchen des Feuchtig keitsgehaltes einer laufenden Materialbahn gemäß DE 33 36 659 A1 wird Strahlung vorgegebener Wellenlänge über eine Vielzahl von Lichtleitern, die im wesentlichen senkrecht zur Laufrich tung der Materialbahn angeordnet sind, übertragen. Ein weite rer Satz von Lichtieitern steht mit einer Fotodetektoranordnung in Verbindung und bestimmt den reflek tierten und/oder transmittierten Strahlungsanteil. Die Aus gangssignale der Fotodetektoranordnung werden mit Hilfe eines Mikroprozessor-Steuersystems ausgewertet. Durch die vorste hend beschriebene Einrichtung mittels der in Reihe angeordne ten Vielzahl von Lichtleitern kann ein Quer-Feuchtigkeitspro fil der sich bewegenden Bahn erfaßt werden. Auswerteseitig ist vorgesehen, daß das Licht aus jedem Lichtleiter zu einem ihm allein zugeordneten Detektorelement gelangt, dessen Aus gangssignal jeweils mittels eines Multiplexers auf das er wähnte Mikroprozessor-Steuersystem gelangt. Es ist offen sichtlich und nachteilig, daß mit dem beschriebenen Feuchtig keitsmeßgerät eine unmittelbare, visuelle Darstellung der Feuchteverteilung in Feuchteeinheiten unmöglich ist.With the moisture meter to examine the moisture of a running material web according to DE 33 36 659 A1 radiation of a given wavelength over a large number of light guides that are substantially perpendicular to the direction of rotation device of the material web are arranged, transferred. A wide one The set of light ladders stands with a Photo detector arrangement in connection and determines the reflec tated and / or transmitted radiation component. The out output signals of the photodetector arrangement are with the aid of a Microprocessor control system evaluated. Through the first one hend described device by means of arranged in series A large number of light guides can be used for a cross moisture test fil of the moving path can be detected. Evaluation side it is envisaged that the light from each light guide to one only detector element assigned to it comes out output signal each by means of a multiplexer to which he imagined microprocessor control system came. It is open obvious and disadvantageous that with the described moisture keitsmeßgerät an immediate, visual representation of the Moisture distribution in moisture units is impossible.
Die GB 20 13 881 A stellt auf das Erfassen eines unterschied lichen Absorptionsverhaltens bei vorgegebenen Wellenlängen ab. Dort sendet eine Lichtquelle Strahlungen einer Wellenlän ge aus, die zum einen innerhalb der Absorptionsbande und zum anderen außerhalb der Bande der ermittelten Verunreinigung liegt. Durch eine Auswertung der transmittierten Signale mit tels einer entsprechenden Empfängerbaugruppe kann dann der Betrag der Verunreinigung bestimmt werden.GB 20 13 881 A makes a difference union absorption behavior at given wavelengths from. There a light source emits radiation from a wavelength ge from, on the one hand within the absorption band and on the other others outside the band of the identified contamination lies. By evaluating the transmitted signals with a corresponding receiver module can then Amount of contamination can be determined.
Aus der Zeitschrift Elektronik, Heft 3, 1968 Seite E. 38 ist es bekannt, daß Wassermoleküle durch Bestrahlung im Wellen längenbereich von 1950 nm zu Eigenschwingungen angeregt wer den, wobei die durch die Schwingungsanregung der Strahlung entzogene Energie meßbar ist. Durch eine Vergleichsmessung zweier Spektralbänder, von denen eines im Resonanzbereich (Absorptionsbereich) liegt, kann z. B. eine Feuchtigkeitsmes sung durchgeführt werden, ohne daß ein Meßsensor in direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Material gebracht werden muß. Eine bildseitige Auswertung mit flächiger Darstellung von Feuchtemustern ist jedoch nicht beschrieben.From the magazine Elektronik, Issue 3, 1968 page E. 38 it is known that water molecules by radiation in waves length range from 1950 nm to natural vibrations the, being by the vibration excitation of the radiation withdrawn energy is measurable. By a comparison measurement two spectral bands, one of which is in the resonance range (Absorption range), z. B. a moisture meter Solution are carried out without a measuring sensor in direct Be brought into contact with the material to be examined got to. An image-side evaluation with a flat representation however, moisture patterns are not described.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur berüh rungslosen Messung der Oberflächenfeuchte mittels eines in frarot-empfindlichen Aufnahmesystems anzugeben, bei dem mit geringem Aufwand auch großflächige Objekte untersucht werden können und weiterhin die erhaltenen Meßergebnisse in leicht auswertbarer Form zur. Verfügung stehen.It is therefore an object of the invention to provide a method for touching smooth measurement of surface moisture using an in indicate infrared-sensitive recording system, in which with large-scale objects can be examined with little effort can and continue to get the measurement results in easy evaluable form for. To be available.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen stand gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The object of the invention is achieved with a counter stood according to the features of claim 1, the Subclaims at least useful configurations and Training includes.
Gemäß der Erfindung kann die berührungslose Messung der Oberflächenfeuchte von Objekten auf der Basis eines Filterdifferenzverfahrens durchgeführt werden. Die dann erhaltenen Bilddaten werden in Einheiten der Ober flächenfeuchte kalibriert und sind mittels einer an sich bekannten Bildverarbeitungseinrichtung bearbeit- und darstellbar.According to the invention, the non-contact measurement of the Surface moisture of objects based on a Filter difference method are carried out. The then image data obtained are in units of upper surface moisture calibrated and are by themselves known image processing device edit and representable.
Mit dem Bildverarbeitungssystem können also Feuchtevertei lungen auf verschiedenen Oberflächen visuell übersichtlich dargestellt werden. Die einmal erfaßten Daten sind digital als Bildmatrizen abspeicherbar und können einem numerischen Vergleich mit bilddatenbankgestützten bekannten Referenz mustern unterzogen werden. Hierdurch vereinfacht sich die Auswertung der erhaltenen Informationen insbesondere bei großflächigen Objekten erheblich.With the image processing system, moisture distribution can lungs on different surfaces visually clear being represented. The data once recorded is digital Can be saved as image matrices and can be a numerical Comparison with known reference supported by image databases undergo patterns. This simplifies the Evaluation of the information received especially at large objects significantly.
Gemäß einem Grundgedanken können die mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren erhaltenen kalibrierten Feuchtedaten mit in bekannter Weise erstellten digitalen Thermobildern verbunden werden, um deren Aussagefähigkeit zu erhöhen. Durch die Verwendung eines abbildenden infrarot-empfindlichen Aufnahmesystems gelingt eine flächenhafte Bestimmung der Feuchte auf an sich beliebigen Objektoberflächen, auch hinter einer Folienschicht oder IR-transparenten Medien, mittels indirekter Sondierung. Das verwendete Aufnahmesystem gestattet eine nahezu verzögerungsfreie Messung.According to a basic idea, those with the invent Calibrated moisture data obtained according to the method with digital thermal images created in a known manner be connected to increase their meaningfulness. By the use of an imaging infrared sensitive The recording system succeeds in determining the area Moisture on any object surface, even behind a film layer or IR-transparent media, by means of indirect probing. The recording system used allows an almost instantaneous measurement.
Vorrichtungsseitig wird für die flächenhafte Erfassung der Feuchte ein abbildendes Aufnahmesystem in Form eines Sensors mit einer spektralen Empfindlichkeit in dem Bereich der Absorptions bande des Wasserdampfes bei im wesentlichen 1,95 µm eingesetzt. In besonders vorteilhafter Weise wird als Sensor eine Bildaufnahmeröhre, nämlich ein Infrarotvidikon verwendet, welches nach dem Prinzip des inneren Photoeffektes arbeitet.On the device side, a is used for the area-wide detection of the moisture imaging recording system in the form of a sensor with a spectral sensitivity in the range of absorption Band of water vapor used at essentially 1.95 microns. In a particularly advantageous manner, a Image pickup tube, namely an infrared video icon used which works on the principle of the inner photo effect.
Zum Erhalt einer ausreichenden Flexibilität der verwendeten Vorrichtung wird ein breitbandiger Impulsstrahler mit Infra rotanteil oder ein schmalbandiger, nur im Infrarotbereich emittierender Strahler zum Beleuchten der zu untersuchenden Objekte eingesetzt. To maintain sufficient flexibility of the used The device becomes a broadband impulse radiator with infra Red component or a narrow band, only in the infrared range emitting radiator for illuminating the objects to be examined Objects used.
Durch die außerordentlich kurze Ansprechzeit des verwendeten Infrarotvidikons kann unter realen meßtechnischen Bedingungen mit außerordentlich kurzen Belichtungszeiten gearbeitet werden, so daß die Impulsstrahler tatsächlich nur im Impulsbetrieb, d. h. für kurze Zeit aktiviert werden müssen, so daß der Energieaufwand des Meßsystems reduziert ist.Due to the extremely short response time of the used Infrared video icons can be used under real measuring conditions worked with extremely short exposure times be, so that the pulse emitters actually only in Impulse operation, d. H. have to be activated for a short time, so that the energy consumption of the measuring system is reduced.
Es liegt im Sinne der Erfindung, das bereits erwähnte Filterdifferenzverfahren dadurch zu realisieren, daß vor dem optischen Eingang des verwendeten Infrarotvidikons sich ein auswechselbares IR-Bandpaßfilter zur wahlweisen spektralen Selektion des reflektierten Lichtanteils im bzw. außerhalb des Bandenzentrums der Infrarot-Absorption des Wasser ange ordnet ist. Die Differenz der jeweiligen Reflexlichtanteile enthält die Information über die Feuchteverteilung auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes.It is within the meaning of the invention that already mentioned To implement the filter difference method in that before optical input of the infrared video icon used interchangeable IR bandpass filter for optional spectral Selection of the reflected light component inside or outside of the band center of infrared absorption of water is arranged. The difference between the respective reflected light components contains the information about the moisture distribution on the Surface of the object to be examined.
Erfindungsgemäß erfolgt die Kalibrierung der mittels des Aufnahmesystems erhaltenen Bildmatrizen anhand von Referenz objekten durch Zuordnung der mit dem System bestimmten Grauwerte bzw. Grauwertdifferenzen zu Oberflächenfeuchte- Parametern, die einmalig unter Laborbedingungen bestimmt wurden.According to the invention the calibration takes place by means of the Imaging matrices obtained using reference objects by assigning those determined with the system Gray values or gray value differences to surface moisture Parameters determined once under laboratory conditions were.
Für die Auswertung der Texturmuster wird erfindungsgemäß in ähnlicher Weise verfahren. Es erfolgt demnach ein Musterver gleich zwischen Referenzbildern, die unter definierten Versuchsbedingungen aufgenommen wurden, und den aktuellen Grauwertbildern. Die ermittelten, für bestimmte Referenz muster generalisierten Feuchteparameter werden in einer Bilddatenbank abgelegt, so daß mittels eines Musterver gleiches vor Ort die jeweils aktuelle Aufnahmeszene ana lysiert werden kann. Diese Analyse erfolgt mittels Absuchens der in der Bilddatenbank des Systems vorhandenen Informa tionen nach vergleichbaren Referenzmustern, deren Feuchte bedingungen im einzelnen bekannt sind.For the evaluation of the texture pattern according to the invention in proceed in a similar way. There is therefore a sample ver equal between reference images defined under Test conditions were included, and the current one Grayscale images. The determined, for certain reference Generalized moisture parameters are shown in a Image database filed, so that by means of a sample ver same on-site the current recording scene ana can be lysed. This analysis is done by searching the information available in the system's image database tions according to comparable reference samples, their moisture conditions are known in detail.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungs beispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen:The invention is based on an embodiment example and with the help of figures closer are explained. Here show:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau der bildaufnahmeseitigen Meßanordnung der Vorrichtung: Fig. 1 shows a basic structure of the image-receiving-side measuring arrangement of the device:
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Feuchte messung und Fig. 2 is a block diagram of the device for moisture measurement and
Fig. 3 den Funktionsverlauf des Absorptionskoeffizienten von Wasser in Abhängigkeit von der Wellenlänge zur Erläuterung der bispektralen Messung. Fig. 3 shows the function course of the absorption coefficient of water in function of the wavelength for illustrating the bi-spectral measurement.
Die Fig. 1 zeigt das zu untersuchende Objekt 5, beispiels weise eine Gebäudemauer, deren Oberflächenfeuchte zu ermit teln ist. Ein Infrarotvidikon 1 weist eingangsseitig ein auswechselbares IR-Bandpaßfilter 2 zur wahlweisen spektralen Selektion des reflektierten Lichtanteils im bzw. außerhalb des Bandenzentrums der Infrarot-Absorption des Wassers auf. Fig. 1 shows the object to be examined 5 , for example, a building wall, the surface moisture is to be determined. An infrared video icon 1 has an exchangeable IR bandpass filter 2 on the input side for optional spectral selection of the reflected light component in or outside the band center of the infrared absorption of the water.
Die Differenz der jeweiligen Reflexlichtanteile enthält die gewünschte Information über die Feuchteverteilung auf der Oberfläche des Objektes 5.The difference between the respective reflected light components contains the desired information about the moisture distribution on the surface of the object 5 .
Vor dem Filter 2 befindet sich ein optisches System 3. Für die Anpassung an verschiedene Aufnahmebedingungen, z. B. im Nahbereich, Fernbereich, Weitwinkelaufnahme, ist das optische System auswechselbar.An optical system 3 is located in front of the filter 2 . For adaptation to different shooting conditions, e.g. B. in the near range, long range, wide angle, the optical system is interchangeable.
Um dem Nachteil zu begegnen, daß bei einer Feuchtedetektion unter natürlichen Tageslichtbedingungen der Infrarotanteil im Sonnenspektrum unzureichend ist, sind Strahler 4 vorgesehen, mit deren Hilfe eine künstliche Objektbeleuchtung vorgenommen wird. Die Strahler 4 sind beispielsweise leistungsstarke breitbandige Kunstlichtstrahler mit einem hohen IR-Anteil oder schmalbandige IR-Strahler geringer Gesamtleistung. In order to counter the disadvantage that in the case of moisture detection under natural daylight conditions the infrared portion in the sun spectrum is insufficient, spotlights 4 are provided, with the aid of which artificial object lighting is carried out. The emitters 4 are, for example, powerful broadband artificial light emitters with a high IR component or narrow-band IR emitters with a low total output.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden für die Strahler 4 breitbandige Nitraphot 250 oder 500 W-Lampen verwendet.In one embodiment of the invention, 4 broadband nitraphot 250 or 500 W lamps were used for the radiators.
Das verwendete Infrarotbandpaßfilter liegt im Bereich von 1,94 µm mit Tmax = 51% und Δλ ½ = 30 Nanometer bzw. außerhalb des Bandenzentrums. Das beim Ausführungsbeispiel verwendete Objektiv der Optik 3 besitzt eine Brennweite von 50 mm.The infrared bandpass filter used is in the range of 1.94 µm with Tmax = 51% and Δλ ½ = 30 nanometers or outside the band center. The lens of optics 3 used in the exemplary embodiment has a focal length of 50 mm.
Das Infrarotvidikon 1 ist eine Bildaufnahmeröhre auf der Basis des inneren Photoeffektes.The infrared video icon 1 is an image pickup tube based on the inner photo effect.
Bei einem Ausführungsbeispiel wurde ein Infrarotvidikon der Firma Hamamatsu Photonics vom Typ C2400-03 eingesetzt. Dieses Infrarotvidikon reicht hinsichtlich seiner spektralen Empfindlichkeit bis in das nahe Infrarot hinein.In one embodiment, an infrared video was used Company Hamamatsu Photonics type C2400-03 used. This Infrared video is enough in terms of its spectral Sensitivity into the near infrared.
Das Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß Fig. 2 zeigt die verwendete Infrarotkamera, welche ein Videoausgangssignal liefert, das auf einen Framegrabber gelangt.The block diagram of the device according to FIG. 2 shows the infrared camera used, which delivers a video output signal that reaches a frame grabber.
Der Framegrabber dient der Analog/Digitalwandlung des CCIR- Signals des Vidikons. Ausgangsseitig steht der Framegrabber mit einem Musterkomparator auf der Basis eines Fuzzy- Prozessors für multidimensionale Mustererkennung in Verbin dung.The frame grabber is used for the analog / digital conversion of the CCIR Vidicon signals. The frame grabber is on the output side with a pattern comparator based on a fuzzy Processor for multidimensional pattern recognition in Verbin dung.
Der Musterkomparator wird mit einer Bilddatenbank verbunden, welche Feuchtedaten aufweist, die durch labormäßige Kalibrierung erhalten wurden. Ausgangsseitig des Musterkomparators erfolgt mittels einer Bildverarbeitungs einheit eine weitere Bildbearbeitung, z. B. Falschfarben darstellung, und Kalibrierung der erhaltenen Meßwerte, so daß sich ein in Feuchteeinheiten kalibriertes Bildprodukt auf einem Monitor anzeigen läßt. The pattern comparator is connected to an image database, which has moisture data, which by laboratory Calibration were obtained. Output side of the Pattern comparator is done using image processing unit another image editing, e.g. B. false colors representation, and calibration of the measured values obtained, so that an image product calibrated in moisture units displayed on a monitor.
Der Musterkomparator ist in der Lage, unbekannte Muster mit bekannten Mustern zu vergleichen, und kann die Ähnlichkeit von Mustern bzw. ihre Gleichheit im Rahmen vorgebbarer Schwellwerte erkennen und dabei minimal oder maximal unterschiedliche Muster angeben.The pattern comparator is able to use unknown patterns known patterns to compare, and the similarity of patterns or their equality within the framework of predeterminable Recognize threshold values and at the same time minimum or maximum specify different patterns.
Hierfür werden Eingangsdaten, die byteweise dem Musterkom parator über einen Bus bereitgestellt werden, mit intern gespeicherten Musterdaten verglichen. Die Muster werden innerhalb des Musterkomparators in Kanälen verwaltet, wobei in jedem Kanal des Prozessors ein Muster abgelegt werden kann. Jeder Kanal läßt sich für die gewünschte Verarbeitung einzeln freigeben oder sperren. Der Prozessor behandelt dabei jedes Muster als eine bitserielle Datenstruktur. Die Anzahl aufeinanderfolgender Bits, die jeweils ein Zeichen bilden, ist von einem bis zu z. B. 8 Bit einstellbar. Während des Vergleiches in z. B. acht Kanälen werden jeweils die Diffe renzen zwischen den einlaufenden Zeichen und den Zeichen der Referenzmuster gebildet.For this purpose, input data that is sent to the sample comm can be provided via a bus with internal stored sample data compared. The patterns will be managed in channels within the pattern comparator, where a pattern can be stored in each channel of the processor can. Each channel can be used for the desired processing release or lock individually. The processor handles this each pattern as a bit serial data structure. The number successive bits, each of which forms a character, is from one to z. B. 8 bit adjustable. During the Compare in z. B. eight channels are the differences distinguish between the incoming characters and the characters of the Reference pattern formed.
Ist eine Zeichenlänge von 1 Bit eingestellt, handelt es sich bei der Differenz um eine Hamming-Distanz.If a character length of 1 bit is set, it is the difference by a Hamming distance.
Bei allen anderen Zeichenlängen werden die Zeichen als vorzeichenlose Integer-Werte aufgefaßt und es wird eine Linear-Distanz gebildet. Die absoluten Beträge der Distanzen werden in den zu den Kanälen gehörigen Akkumulatoren addiert. Dies erfolgt für alle gespeicherten Muster gleichzeitig.For all other character lengths, the characters are as unsigned integer values and it becomes a Linear distance formed. The absolute amounts of the distances are added in the accumulators belonging to the channels. This is done simultaneously for all saved patterns.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Prozessors bzw. des Musterkomparators benötigt dieser für den Vergleich von z. B. 8 Mustern von jeweils 16 K-Byte Länge eine Zeit von im wesentlichen 16 Millisekunden. Die im Verlauf des Vergleichs prozesses ermittelten Werte der Differenzen des Eingangsmusters mit den Referenzmustern sind für eine externe Weiterverarbeitung auslesbar. In one embodiment of the processor or This comparator is required for the comparison of e.g. B. 8 patterns of 16 K bytes each have a time of essentially 16 milliseconds. The one in the course of the comparison process determined values of the differences of the Input patterns with the reference patterns are for an external one Readable for further processing.
Nach abgeschlossenem Vergleich fertigt der Musterkomparator über ein Auswertenetzwerk ein Protokoll an, in dem das Muster mit der größten Ähnlichkeit, nämlich der Minimaldifferenz zum einen oder jenes mit der geringsten Ähnlichkeit, nämlich einer Maximaldifferenz zum Eingangsmuster angegeben wird.After the comparison is completed, the sample comparator produces via an evaluation network to a protocol in which the pattern with the greatest similarity, namely the minimum difference to one or that with the least similarity, namely a maximum difference to the input pattern is specified.
Wie erwähnt, kann zusätzlich für den Vergleich ein Schwell wert für die Differenzen, d. h. für die geforderte Ähnlich keit, eingestellt werden. Beim Anheben des Schwellwertes vergrößert sich damit die zugelassene Differenz zwischen dem Eingangsmuster und dem Referenzmustern für die Zugehörig keitsentscheidung des Eingangsmusters. In einer Ausgestaltung wird die Wahl des Schwellwertes dem Fuzzy-Prozessor über lassen. Hierbei wird im Minimum-Mode die maximale Differenz und im Maximum-Mode die minimale Differenz als Anfangs schwellwert gesetzt. Während nachfolgender Vergleichsschritte ermittelte höhere bzw. geringere Differenzwerte ersetzen jeweils den bis dahin gültigen Schwellwert.As mentioned, a threshold can also be used for comparison worth for the differences, d. H. for the required similar speed can be set. When raising the threshold this increases the permitted difference between the Input pattern and the reference pattern for the associated decision of the input pattern. In one embodiment the fuzzy processor selects the threshold value to let. Here the maximum difference is in minimum mode and in maximum mode the minimum difference as the start threshold set. During subsequent comparison steps replace the determined higher or lower difference values in each case the previously valid threshold.
Zusätzlich kann ein Betrieb des Musterkomparators im soge nannten Lernmode erfolgen. Die einzelnen Muster werden dabei nacheinander in den Prozessor geladen, wobei bei vorhandenen Freimusterspeichern der Prozessor selbst ein Muster abspei chert, sobald ihm ein bislang unbekanntes Muster angeboten wird.In addition, operation of the pattern comparator in the so-called called learning fashion. The individual patterns are included loaded into the processor one after the other, with existing ones Free pattern storage, the processor itself emits a pattern as soon as he was offered a previously unknown pattern becomes.
Fig. 2 zeigt weiterhin die bereits erwähnten Impulsstrahler, die entweder als breitbandige Strahler mit IR-Anteil oder als schmalbandige, nur im IR-Bereich emittierende Strahler aus geführt sind. Fig. 2 also shows the pulse radiators already mentioned, which are either designed as broadband radiators with an IR component or as narrow-band radiators emitting only in the IR range.
Die Impulsstrahler und die Infrarotkamera werden von einem Synchronisator derart angesteuert, daß eine Synchronisation des Lichtimpulses mit dem Aktivieren der Infrarotkamera erfolgen kann. Zusätzlich wird mittels des Synchronisators eine mittlere Objektentfernung festgestellt und die erforderliche Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit von der Aufnahmeentfernung berechnet.The pulse emitter and the infrared camera are one Synchronizer controlled so that synchronization the light pulse with the activation of the infrared camera can be done. In addition, using the synchronizer an average object distance was determined and the required illuminance depending on the Shooting distance calculated.
Vorteilhafterweise können die Impulsstrahler in der Leucht stärke durchstimmbar sein, so daß sich in Abhängigkeit von der Aufnahmeentfernung und ggf. auch vom Feuchtegehalt des Meßobjektes eine variable und praktikable Aufnahmegeometrie realisieren läßt.The pulse emitters can advantageously be in the light strength can be tuned so that depending on the shooting distance and possibly also the moisture content of the The object to be measured has a variable and practical recording geometry can be realized.
Für die erwähnte Kalibrierung der Bildmatrizen anhand von Referenzobjekten kommt beispielsweise die Bestimmung der Materialfeuchte mittels gravimetrischer Methoden, der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit in der Probe, gemessen an der Saugwirkung des Probenwassers zur Bestimmung der Saugspannung mittels Manometers, die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit der Probe durch Messung der Temperatur änderung bei kurzzeitiger elektrischer Aufheizung, die Bestimmung der Elektrizitätskonstante der Probe, multipli ziert durch Leitfähigkeit mittels hochfrequentem Wechselstrom oder andere an sich bekannte Verfahren in Betracht.For the aforementioned calibration of the image matrices using For example, reference objects come in the determination of Material moisture using gravimetric methods, the Determination of the electrical conductivity in the sample, measured by the suction effect of the sample water for determination the suction tension using a manometer, determining the Thermal conductivity of the sample by measuring the temperature change in the case of brief electrical heating, the Determination of the electricity constant of the sample, multiple adorned by conductivity using high-frequency alternating current or other methods known per se.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 sollen die physikalischen Zusammenhänge des Funktionsprinzips des Verfahrens zur berührungslosen Messung der Oberflächenfeuchte von Objekten erläutert werden.The physical relationships of the functional principle of the method for the contactless measurement of the surface moisture of objects are to be explained with reference to FIG. 3.
Es ist bekannt, daß die Absorptionsbanden des Wasserdampfes vom UV-Bereich bis in den Langwellenspektralbereich hinein reichen.It is known that the absorption bands of water vapor from the UV range to the long-wave spectral range pass.
Beim betrachteten Verfahren sind wesentlich die Absorptions banden des Wasserdampfes im nahen Infrarot bei 1,45 und 1,95 µm. Der Funktionsverlauf des Absorptionskoeffizienten von Wasser in Abhängigkeit von der Wellenlänge ist im einzelnen in der erwähnten Fig. 3 dargestellt. In the process under consideration, the absorption bands of the water vapor in the near infrared at 1.45 and 1.95 µm are essential. The course of the function of the absorption coefficient of water as a function of the wavelength is shown in detail in FIG. 3 mentioned.
Demnach liegt ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum des Wasserdampfes bei 1,45 und 1,95 µm, wobei sich das absolute Maximum bei 1,95 µm befindet.Accordingly, there is a pronounced absorption maximum of Water vapor at 1.45 and 1.95 µm, whereby the absolute Maximum is at 1.95 µm.
Ursache für das sehr starke Absorptionsmaximum bei 1,95 µm (entspricht im wesentlichen 5250 cm-1) ist die Kombinations schwingung aus der symmetrischen Valenzschwingung bei 2,74 µm (3655 cm-1) und der Deformationsschwingung bei 6,27 µm (1595 cm-1) nach der Beziehung:The reason for the very strong absorption maximum at 1.95 µm (corresponds essentially to 5250 cm -1 ) is the combination vibration from the symmetrical valence vibration at 2.74 µm (3655 cm -1 ) and the deformation vibration at 6.27 µm (1595 cm) -1 ) according to the relationship:
3655 cm-1 + 1595 cm-1 = 5250 cm-1.3655 cm -1 + 1595 cm -1 = 5250 cm -1 .
Dies berücksichtigend kann durch eine bispektrale Messung der Reflexstrahlung bei der Wellenlänge der Kombinations schwingung und außerhalb des Bandenzentrums mit anschließen der Differenzbildung die Feuchte detektiert werden. Hierfür wird, wie bereits erwähnt, das vom Objekt reflektierte Licht mit zwei verschiedenen Filtern, d. h. im Filterdifferenz verfahren gemessen.Taking this into account, a bispectral measurement of the Reflex radiation at the wavelength of the combination connect vibration and outside the band center the difference, the humidity can be detected. Therefor as already mentioned, the light reflected by the object with two different filters, d. H. in the filter difference procedure measured.
Claims (4)
- - Vergleich der erhaltenen Werte aus dem Aufnahmesystem und Kalibrierung des erhaltenen Bildes in Feuchteeinheiten, sowie
- - flächenhafte Darstellung der in Feuchteeinheiten kalibrier ten Ergebnisse mittels eines Bildverarbeitungssystems, wobei eine nachbarschaftsunabhängige Feuchtekalibrierung der vom Aufnahmesystem erhaltenen Bildpunkte durch die spektrale Dif ferenzbildung und/oder Zuordnung von Objekttexturwerten zu Feuchteparametern mittels numerischen Vergleichs zwischen un bekannten, durch Feuchteverteilung auf der Objektoberfläche hervorgerufenen Texturen und bilddatenbankgestützten Referenz mustern vorgenommen wird.
- - Comparison of the values obtained from the recording system and calibration of the image obtained in moisture units, as well
- - Area-wide representation of the results calibrated in moisture units by means of an image processing system, with a neighborhood-independent moisture calibration of the image points obtained from the recording system by spectral differentiation and / or assignment of object texture values to moisture parameters by means of numerical comparison between unknown and caused by moisture distribution on the object surface and textures image-based reference patterns is made.
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