校準輻射溫度計的方法

2023-04-28 17:00:56

專利名稱：校準輻射溫度計的方法
技術領域：
本發明涉及利用具有已知溫度的輻射標準校準一個包括輻射傳感器和環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。這個溫度通常藉助以儘可能好的方式熱連接到參考目的物上的溫度傳感器進行測量是方便的。
因此，為了校準包括輻射傳感器和環境溫度傳感器的輻射溫度計而必須校準這兩個傳感器。在現有的校準方法中，這兩個傳感器的輸出信號是在不同的輻射和環境或參考溫度下測定的。根據這些信號可以建立相應的校準參數。為了校準環境溫度傳感器，可以利用一個外部的校準溫度計測定這個環境溫度(也可能是幾個環境溫度)。外部溫度計的溫度必須儘可能接近待校準傳感器的溫度(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)。環境溫度傳感器的校準獨立於輻射傳感器校準進行。
申請人從控制工程領域得知，一個系統的響應時間除了參考特定系統的定量值描述外，還由最終描述整個系統響應時間的參數描述。為確定這些參數，在現有技術中是檢測隨時間變化的系統量值，利用這些檢測的量值去求解參數方程組。根據這樣建立的參數可以描述系統未來的響應時間。這個方法在現有技術中是人們已經知道的，並用被稱為過程參數識別的術語描述。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。從而使單個系統定量值的測量不準確得到補償。
本發明的目的是提供一種利用簡單方式就能完成校準輻射溫度計的方法，該輻射溫度計包括一個輻射傳感器和一個環境溫度傳感器。
本發明的方法的主要優點在於，為了校準只需要知道輻射標準的溫度，而不需要知道環境溫度。可是，根據需要，環境溫度可以根據在校準過程中輻射傳感器的輸出信號確定。因此，本發明的方法還特別適合於校準具有內裝環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境溫度傳感器是不能從外部接近的。當然也可以用於校準精確測定環境溫度程序相當複雜的那些其它傳感器。利用本文所描述的方法，可以使花費在校準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(例如醫用輻射溫度計)的系列生產中。
本發明第三方案體現出的優點表明，在輻射溫度的測量和傳感器輸出信號的檢測中出現的潛在誤差可以在輻射溫度計較準過程中獲得補償。
本發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表示為環境溫度Tu、輻射傳感器信號U和n個校準參數k1，k2，…，kn的函數fTS＝f(TU，U，k1，k2，…，kn)環境溫度Tu由在輻射溫度計中相應於溫度傳感器的輸出信號R和函數g確定，為此目的，通常m個另一些校準參數c1，c2，…，cm必須是已知的TU＝g(R，c1，c2，…，cm)因此，為了校準輻射溫度計，必須確定p＝m+n個參數k1，k2，…，kn，c1，c2，…，cm。為此，通過適當改變環境溫度和輻射溫度，對輻射傳感器的輸出信號和環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個未知數的(非線性)方程組TS＝f(g(R，c1，c2，…，cm)，U，k1，k2，…，kn)利用(數值法)解這個方程組，便可獲得m+n個參數k1，k2，…，kn，c1，c2，…，cm。據此可以確定環境溫度TU。如果測得了多於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矽電阻的輻射溫度計的例子作為參考。這個矽電阻用於測量環境溫度，所述的環境溫度在本例中與參考溫度等同。為了校準，在本例中利用輻射溫度TS，輻射傳感器的輸出信號U和環境溫度TU之間的下述關係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系統有關。這個參數在校準過程中通過在兩個不同輻射溫度TS(1)和TS(2)(但在恆定環境溫度下，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，然後求解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。這些參數的典型值例如是R0＝1000，＝7.8·10-3K-1，和＝1.910-5K-2。參數R0、和通常由傳感器的製造商給出，但具有一定容限。通過在上述測定的環境溫度TU下測量環境溫度傳感器的電阻R，這個參考電阻R0可以通過解關於R0的方程(2.6)在校準過程中單獨確定ROR1(TUTO)(TUTO)2]]>只有在兩次測量中環境溫度是相同的情況下，才能簡單用這些關係式。如果不是這種情況，將得到非線性方程組，必須用數值法解這些方程。
如果製造商給出的參數和的容限太寬不能達到所要求的精度，則也可以分別確定這些參數。為此，在另一不變的環境溫度TU′＝TU′(1)＝TU′(2)下，測量輻射傳感器的輸出電壓U(1)′和U(2)′以及環境溫度傳感器的電阻值R(2)，然後用與上述類似的方式，根據方程式(2.4)或方程式(2.5)確定所述的另一環境溫度TU′，再通過解關於的方程(2.6)確定這個參數。在還希望獨立測量參數的情況下，這個校準過程可以在第三不變環境溫度TU″下重複進行。
通過類似的方式並根據需要，還可以根據例如輻射傳感器的靈敏度溫度係數確定校準參數。
為了校準也可以用一些方程代替方程(2.1)，這些方程可用於校準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。所述的微控制器可以是一個外部設備，它把那些確定的參數存儲在一個輻射溫度計的適合器件中。同樣，也可以採用安裝在用於測定那些參數的輻射溫度計中的微控制器。
權利要求
1.一種利用具有已知溫度(Ts(1)、Ts(2))的輻射標準來校準包括一個輻射傳感器和一個環境溫度傳感器的輻射溫度計的方法，其特徵在於在第一環境溫度(TU)下並至少在輻射標準的兩個不同溫度(Ts(1)、Ts(2))下檢測環境溫度傳感器的輸出信號和輻射傳感器的輸出信號，然後根據檢測到的輸出信號校準輻射傳感器和環境溫度傳感器。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於在校準中，在至少一個附加步驟中，在第二或另一些環境溫度(TU′、TU″、…)下並且在輻射標準的至少兩個不同溫度(Ts(1)、Ts(2))下檢測環境溫度傳感器的輸出信號和輻射傳感器的輸出信號，並且利用這些輸出信號進行校準。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在多於兩個輻射溫度下檢測輻射傳感器的輸出信號，並且利用這些信號進行校準。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於環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)、環境溫度傳感器的參考電阻值(R0)和/或環境溫度(TU)被確定。
5.如權利要求4所述且在權利要求2或3中已經涉及的方法，其特徵在於電阻器對溫度的依賴關係可以用線性溫度係數描述，根據需要還可以用更高級的溫度係數描述，為了確定這些溫度係數，還可以利用在第二或其它環境溫度(TU′、TU″，…)下測定的輸出信號。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於通過測定的環境溫度(TU′、TU″，…)校準環境溫度傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種利用具有已知溫度的輻射標準來校準包括一個輻射傳感器和一個環境溫度傳感器的輻射溫度計的方法。在校準中待建立的參數和/或環境溫度根據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 優先權日1996年4月2日
發明者伯恩哈特·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