专利名称：校准辐射温度计的方法
技术领域：
本发明涉及利用具有已知温度的辐射标准校准一个包括辐射传感器和环境温度传感器的辐射温度计的方法。
利用一个辐射传感器可以测定测量目的物与参考目的物(例如一个快门或辐射传感器本身)之温度差。为了确定测量目的物的绝对温度还需要参考目的物的温度。这个温度通常借助以尽可能好的方式热连接到参考目的物上的温度传感器进行测量是方便的。
因此，为了校准包括辐射传感器和环境温度传感器的辐射温度计而必须校准这两个传感器。在现有的校准方法中，这两个传感器的输出信号是在不同的辐射和环境或参考温度下测定的。根据这些信号可以建立相应的校准参数。为了校准环境温度传感器，可以利用一个外部的校准温度计测定这个环境温度(也可能是几个环境温度)。外部温度计的温度必须尽可能接近待校准传感器的温度(例如通过将该传感器和该温度计浸入同一液体中或通过延长配合的时间)。环境温度传感器的校准独立于辐射传感器校准进行。
申请人从控制工程领域得知，一个系统的响应时间除了参考特定系统的定量值描述外，还由最终描述整个系统响应时间的参数描述。为确定这些参数，在现有技术中是检测随时间变化的系统量值，利用这些检测的量值去求解参数方程组。根据这样建立的参数可以描述系统未来的响应时间。这个方法在现有技术中是人们已经知道的，并用被称为过程参数识别的术语描述。这个方法包含方程组的超定问题，也就是说，测量的量值对比实际需要的多，以致使例如六个方程可以供四个待确定量值用。待建立的参数由这六个方程确定，这样便可以例如将方差限制到最小。从而使单个系统定量值的测量不准确得到补偿。
本发明的目的是提供一种利用简单方式就能完成校准辐射温度计的方法，该辐射温度计包括一个辐射传感器和一个环境温度传感器。
本发明的方法的主要优点在于，为了校准只需要知道辐射标准的温度，而不需要知道环境温度。可是，根据需要，环境温度可以根据在校准过程中辐射传感器的输出信号确定。因此，本发明的方法还特别适合于校准具有内装环境温度传感器的辐射传感器的温度计，因为在这种情况下环境温度传感器是不能从外部接近的。当然也可以用于校准精确测定环境温度程序相当复杂的那些其它传感器。利用本文所描述的方法，可以使花费在校准上的时间和测量工作量明显地减少，特别是在不打算测量很高温度的高精度辐射温度计(例如医用辐射温度计)的系列生产中。
本发明第三方案体现出的优点表明，在辐射温度的测量和传感器输出信号的检测中出现的潜在误差可以在辐射温度计较准过程中获得补偿。
本发明方法的基本原理如下通常将辐射温度计测量的辐射温度Ts表示为环境温度Tu、辐射传感器信号U和n个校准参数k1，k2，…，kn的函数fTS＝f(TU，U，k1，k2，…，kn)环境温度Tu由在辐射温度计中相应于温度传感器的输出信号R和函数g确定，为此目的，通常m个另一些校准参数c1，c2，…，cm必须是已知的TU＝g(R，c1，c2，…，cm)因此，为了校准辐射温度计，必须确定p＝m+n个参数k1，k2，…，kn，c1，c2，…，cm。为此，通过适当改变环境温度和辐射温度，对辐射传感器的输出信号和环境温度传感器的输出信号测定p次。因此，得到一个具有p个方程和p个未知数的(非线性)方程组TS＝f(g(R，c1，c2，…，cm)，U，k1，k2，…，kn)利用(数值法)解这个方程组，便可获得m+n个参数k1，k2，…，kn，c1，c2，…，cm。据此可以确定环境温度TU。如果测得了多于p个测量值，则可以校正误差。
下面给出一个包括一个热电堆辐射传感器和一个硅电阻的辐射温度计的例子作为参考。这个硅电阻用于测量环境温度，所述的环境温度在本例中与参考温度等同。为了校准，在本例中利用辐射温度TS，辐射传感器的输出信号U和环境温度TU之间的下述关系TS(UST4U)1/4---(2.1)]]>式中S代表辐射温度计的灵敏度，它尤其是与所用的辐射传感器和辐射温度计的光学系统有关。这个参数在校准过程中通过在两个不同辐射温度TS(1)和TS(2)(但在恒定环境温度下，TU＝TU(1)＝TU(2))下测量辐射传感器的输出电压U(1)和U(2)而确定。通过变换(2、1)，获得下面的方程组TS(1)4U(1)ST4U---(2.2)]]>TS(2)4U(2)ST4U]]>从第二个方程中减去第一个方程，然后求解S，直接获得灵敏度SSU(2)U(1)TS(2)4TS(1)4---(2.3)]]>另外，把方程(2.3)代入两个方程(2.2)中也可以获得环境温度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)]]>环境温度传感器的电阻R由下式表示R＝R0[1+(TU-TO)+(TU-TO)2](2.6)式中TO为参考温度(25℃)，在此温度下该电阻的阻值为R0。这些参数的典型值例如是R0＝1000，＝7.8·10-3K-1，和＝1.910-5K-2。参数R0、和通常由传感器的制造商给出，但具有一定容限。通过在上述测定的环境温度TU下测量环境温度传感器的电阻R，这个参考电阻R0可以通过解关于R0的方程(2.6)在校准过程中单独确定ROR1(TUTO)(TUTO)2]]>只有在两次测量中环境温度是相同的情况下，才能简单用这些关系式。如果不是这种情况，将得到非线性方程组，必须用数值法解这些方程。
如果制造商给出的参数和的容限太宽不能达到所要求的精度，则也可以分别确定这些参数。为此，在另一不变的环境温度TU′＝TU′(1)＝TU′(2)下，测量辐射传感器的输出电压U(1)′和U(2)′以及环境温度传感器的电阻值R(2)，然后用与上述类似的方式，根据方程式(2.4)或方程式(2.5)确定所述的另一环境温度TU′，再通过解关于的方程(2.6)确定这个参数。在还希望独立测量参数的情况下，这个校准过程可以在第三不变环境温度TU″下重复进行。
通过类似的方式并根据需要，还可以根据例如辐射传感器的灵敏度温度系数确定校准参数。
为了校准也可以用一些方程代替方程(2.1)，这些方程可用于校准一些测量目的物的辐射特性，这些目的物的温度将由辐射温度计测量。
上述的方法可以在例如一个微控制器上编程。由微控制器确定这些参数。所述的微控制器可以是一个外部设备，它把那些确定的参数存储在一个辐射温度计的适合器件中。同样，也可以采用安装在用于测定那些参数的辐射温度计中的微控制器。
权利要求
1.一种利用具有已知温度(Ts(1)、Ts(2))的辐射标准来校准包括一个辐射传感器和一个环境温度传感器的辐射温度计的方法，其特征在于在第一环境温度(TU)下并至少在辐射标准的两个不同温度(Ts(1)、Ts(2))下检测环境温度传感器的输出信号和辐射传感器的输出信号，然后根据检测到的输出信号校准辐射传感器和环境温度传感器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在校准中，在至少一个附加步骤中，在第二或另一些环境温度(TU′、TU″、…)下并且在辐射标准的至少两个不同温度(Ts(1)、Ts(2))下检测环境温度传感器的输出信号和辐射传感器的输出信号，并且利用这些输出信号进行校准。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于在多于两个辐射温度下检测辐射传感器的输出信号，并且利用这些信号进行校准。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于环境温度传感器是一个在特定参考温度下具有参考电阻值(R0)的温敏电阻器，而且辐射传感器的灵敏度(S)、环境温度传感器的参考电阻值(R0)和/或环境温度(TU)被确定。
5.如权利要求4所述且在权利要求2或3中已经涉及的方法，其特征在于电阻器对温度的依赖关系可以用线性温度系数描述，根据需要还可以用更高级的温度系数描述，为了确定这些温度系数，还可以利用在第二或其它环境温度(TU′、TU″，…)下测定的输出信号。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于通过测定的环境温度(TU′、TU″，…)校准环境温度传感器。
全文摘要
本发明涉及一种利用具有已知温度的辐射标准来校准包括一个辐射传感器和一个环境温度传感器的辐射温度计的方法。在校准中待建立的参数和/或环境温度根据至少两个测得的辐射温度值确定。
文档编号G01J5/10GK1185831SQ97190259
公开日1998年6月24日 申请日期1997年3月26日 优先权日1996年4月2日
发明者伯恩哈特·克劳斯, 弗兰克·比尔沃思, 克劳斯·霍伊巴赫, 曼弗雷德·凯泽 申请人:布劳恩股份公司