專利名稱：校準(zhǔn)輻射溫度計的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用具有已知溫度的輻射標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)一個包括輻射傳感器和環(huán)境溫度傳感器的輻射溫度計的方法。
利用一個輻射傳感器可以測定測量目的物與參考目的物(例如一個快門或輻射傳感器本身)之溫度差。為了確定測量目的物的絕對溫度還需要參考目的物的溫度。這個溫度通常借助以盡可能好的方式熱連接到參考目的物上的溫度傳感器進(jìn)行測量是方便的。
因此，為了校準(zhǔn)包括輻射傳感器和環(huán)境溫度傳感器的輻射溫度計而必須校準(zhǔn)這兩個傳感器。在現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法中，這兩個傳感器的輸出信號是在不同的輻射和環(huán)境或參考溫度下測定的。根據(jù)這些信號可以建立相應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)。為了校準(zhǔn)環(huán)境溫度傳感器，可以利用一個外部的校準(zhǔn)溫度計測定這個環(huán)境溫度(也可能是幾個環(huán)境溫度)。外部溫度計的溫度必須盡可能接近待校準(zhǔn)傳感器的溫度(例如通過將該傳感器和該溫度計浸入同一液體中或通過延長配合的時間)。環(huán)境溫度傳感器的校準(zhǔn)獨(dú)立于輻射傳感器校準(zhǔn)進(jìn)行。
申請人從控制工程領(lǐng)域得知，一個系統(tǒng)的響應(yīng)時間除了參考特定系統(tǒng)的定量值描述外，還由最終描述整個系統(tǒng)響應(yīng)時間的參數(shù)描述。為確定這些參數(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)中是檢測隨時間變化的系統(tǒng)量值，利用這些檢測的量值去求解參數(shù)方程組。根據(jù)這樣建立的參數(shù)可以描述系統(tǒng)未來的響應(yīng)時間。這個方法在現(xiàn)有技術(shù)中是人們已經(jīng)知道的，并用被稱為過程參數(shù)識別的術(shù)語描述。這個方法包含方程組的超定問題，也就是說，測量的量值對比實(shí)際需要的多，以致使例如六個方程可以供四個待確定量值用。待建立的參數(shù)由這六個方程確定，這樣便可以例如將方差限制到最小。從而使單個系統(tǒng)定量值的測量不準(zhǔn)確得到補(bǔ)償。
本發(fā)明的目的是提供一種利用簡單方式就能完成校準(zhǔn)輻射溫度計的方法，該輻射溫度計包括一個輻射傳感器和一個環(huán)境溫度傳感器。
本發(fā)明的方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于，為了校準(zhǔn)只需要知道輻射標(biāo)準(zhǔn)的溫度，而不需要知道環(huán)境溫度。可是，根據(jù)需要，環(huán)境溫度可以根據(jù)在校準(zhǔn)過程中輻射傳感器的輸出信號確定。因此，本發(fā)明的方法還特別適合于校準(zhǔn)具有內(nèi)裝環(huán)境溫度傳感器的輻射傳感器的溫度計，因為在這種情況下環(huán)境溫度傳感器是不能從外部接近的。當(dāng)然也可以用于校準(zhǔn)精確測定環(huán)境溫度程序相當(dāng)復(fù)雜的那些其它傳感器。利用本文所描述的方法，可以使花費(fèi)在校準(zhǔn)上的時間和測量工作量明顯地減少，特別是在不打算測量很高溫度的高精度輻射溫度計(例如醫(yī)用輻射溫度計)的系列生產(chǎn)中。
本發(fā)明第三方案體現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)表明，在輻射溫度的測量和傳感器輸出信號的檢測中出現(xiàn)的潛在誤差可以在輻射溫度計較準(zhǔn)過程中獲得補(bǔ)償。
本發(fā)明方法的基本原理如下通常將輻射溫度計測量的輻射溫度Ts表示為環(huán)境溫度Tu、輻射傳感器信號U和n個校準(zhǔn)參數(shù)k1，k2，…，kn的函數(shù)fTS＝f(TU，U，k1，k2，…，kn)環(huán)境溫度Tu由在輻射溫度計中相應(yīng)于溫度傳感器的輸出信號R和函數(shù)g確定，為此目的，通常m個另一些校準(zhǔn)參數(shù)c1，c2，…，cm必須是已知的TU＝g(R，c1，c2，…，cm)因此，為了校準(zhǔn)輻射溫度計，必須確定p＝m+n個參數(shù)k1，k2，…，kn，c1，c2，…，cm。為此，通過適當(dāng)改變環(huán)境溫度和輻射溫度，對輻射傳感器的輸出信號和環(huán)境溫度傳感器的輸出信號測定p次。因此，得到一個具有p個方程和p個未知數(shù)的(非線性)方程組TS＝f(g(R，c1，c2，…，cm)，U，k1，k2，…，kn)利用(數(shù)值法)解這個方程組，便可獲得m+n個參數(shù)k1，k2，…，kn，c1，c2，…，cm。據(jù)此可以確定環(huán)境溫度TU。如果測得了多于p個測量值，則可以校正誤差。
下面給出一個包括一個熱電堆輻射傳感器和一個硅電阻的輻射溫度計的例子作為參考。這個硅電阻用于測量環(huán)境溫度，所述的環(huán)境溫度在本例中與參考溫度等同。為了校準(zhǔn)，在本例中利用輻射溫度TS，輻射傳感器的輸出信號U和環(huán)境溫度TU之間的下述關(guān)系TS(UST4U)1/4---(2.1)]]>式中S代表輻射溫度計的靈敏度，它尤其是與所用的輻射傳感器和輻射溫度計的光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)。這個參數(shù)在校準(zhǔn)過程中通過在兩個不同輻射溫度TS(1)和TS(2)(但在恒定環(huán)境溫度下，TU＝TU(1)＝TU(2))下測量輻射傳感器的輸出電壓U(1)和U(2)而確定。通過變換(2、1)，獲得下面的方程組TS(1)4U(1)ST4U---(2.2)]]>TS(2)4U(2)ST4U]]>從第二個方程中減去第一個方程，然后求解S，直接獲得靈敏度SSU(2)U(1)TS(2)4TS(1)4---(2.3)]]>另外，把方程(2.3)代入兩個方程(2.2)中也可以獲得環(huán)境溫度TU(1U(2)U(1)[U(2)TS(1)4U(1)TS(2)4])1/4---(2.4)]]>TU(TS(1)4U(1)S)1/4(TS(2)4U(2)S)1/4---(2.5)]]>環(huán)境溫度傳感器的電阻R由下式表示R＝R0[1+(TU-TO)+(TU-TO)2](2.6)式中TO為參考溫度(25℃)，在此溫度下該電阻的阻值為R0。這些參數(shù)的典型值例如是R0＝1000，＝7.8·10-3K-1，和＝1.910-5K-2。參數(shù)R0、和通常由傳感器的制造商給出，但具有一定容限。通過在上述測定的環(huán)境溫度TU下測量環(huán)境溫度傳感器的電阻R，這個參考電阻R0可以通過解關(guān)于R0的方程(2.6)在校準(zhǔn)過程中單獨(dú)確定ROR1(TUTO)(TUTO)2]]>只有在兩次測量中環(huán)境溫度是相同的情況下，才能簡單用這些關(guān)系式。如果不是這種情況，將得到非線性方程組，必須用數(shù)值法解這些方程。
如果制造商給出的參數(shù)和的容限太寬不能達(dá)到所要求的精度，則也可以分別確定這些參數(shù)。為此，在另一不變的環(huán)境溫度TU′＝TU′(1)＝TU′(2)下，測量輻射傳感器的輸出電壓U(1)′和U(2)′以及環(huán)境溫度傳感器的電阻值R(2)，然后用與上述類似的方式，根據(jù)方程式(2.4)或方程式(2.5)確定所述的另一環(huán)境溫度TU′，再通過解關(guān)于的方程(2.6)確定這個參數(shù)。在還希望獨(dú)立測量參數(shù)的情況下，這個校準(zhǔn)過程可以在第三不變環(huán)境溫度TU″下重復(fù)進(jìn)行。
通過類似的方式并根據(jù)需要，還可以根據(jù)例如輻射傳感器的靈敏度溫度系數(shù)確定校準(zhǔn)參數(shù)。
為了校準(zhǔn)也可以用一些方程代替方程(2.1)，這些方程可用于校準(zhǔn)一些測量目的物的輻射特性，這些目的物的溫度將由輻射溫度計測量。
上述的方法可以在例如一個微控制器上編程。由微控制器確定這些參數(shù)。所述的微控制器可以是一個外部設(shè)備，它把那些確定的參數(shù)存儲在一個輻射溫度計的適合器件中。同樣，也可以采用安裝在用于測定那些參數(shù)的輻射溫度計中的微控制器。
權(quán)利要求
1.一種利用具有已知溫度(Ts(1)、Ts(2))的輻射標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)包括一個輻射傳感器和一個環(huán)境溫度傳感器的輻射溫度計的方法，其特征在于在第一環(huán)境溫度(TU)下并至少在輻射標(biāo)準(zhǔn)的兩個不同溫度(Ts(1)、Ts(2))下檢測環(huán)境溫度傳感器的輸出信號和輻射傳感器的輸出信號，然后根據(jù)檢測到的輸出信號校準(zhǔn)輻射傳感器和環(huán)境溫度傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在校準(zhǔn)中，在至少一個附加步驟中，在第二或另一些環(huán)境溫度(TU′、TU″、…)下并且在輻射標(biāo)準(zhǔn)的至少兩個不同溫度(Ts(1)、Ts(2))下檢測環(huán)境溫度傳感器的輸出信號和輻射傳感器的輸出信號，并且利用這些輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于在多于兩個輻射溫度下檢測輻射傳感器的輸出信號，并且利用這些信號進(jìn)行校準(zhǔn)。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于環(huán)境溫度傳感器是一個在特定參考溫度下具有參考電阻值(R0)的溫敏電阻器，而且輻射傳感器的靈敏度(S)、環(huán)境溫度傳感器的參考電阻值(R0)和/或環(huán)境溫度(TU)被確定。
5.如權(quán)利要求4所述且在權(quán)利要求2或3中已經(jīng)涉及的方法，其特征在于電阻器對溫度的依賴關(guān)系可以用線性溫度系數(shù)描述，根據(jù)需要還可以用更高級的溫度系數(shù)描述，為了確定這些溫度系數(shù)，還可以利用在第二或其它環(huán)境溫度(TU′、TU″，…)下測定的輸出信號。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于通過測定的環(huán)境溫度(TU′、TU″，…)校準(zhǔn)環(huán)境溫度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用具有已知溫度的輻射標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)包括一個輻射傳感器和一個環(huán)境溫度傳感器的輻射溫度計的方法。在校準(zhǔn)中待建立的參數(shù)和/或環(huán)境溫度根據(jù)至少兩個測得的輻射溫度值確定。
文檔編號G01J5/10GK1185831SQ97190259
公開日1998年6月24日 申請日期1997年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月2日
發(fā)明者伯恩哈特·克勞斯, 弗蘭克·比爾沃思, 克勞斯·霍伊巴赫, 曼弗雷德·凱澤 申請人:布勞恩股份公司