校准老化装置的温度传感器的方法

专利名称：校准老化装置的温度传感器的方法
技术领域：
本发明涉及一种温度传感器的校准方法，尤其是用在样品的人工老化(weathering)设备中的温度传感器的校准方法。这样的温度传感器中，黑色面板传感器(black panel sensor)、黑色标准传感器(black standardsensor)、或者白色标准传感器(white standard sensor)是公知的。本发明还涉及一种实现校准方法的装置。
背景技术：
材料样品的人工老化用设备，其目的是评估在使用中永久地暴露在天然的老化条件下并且因此在诸如日光、太阳热、潮湿之类的气象影响下损耗的材料的使用寿命。为了能够得到对天然的老化条件的良好模拟，在设备中产生的光的光谱能量分布必须尽可能地相应于天然阳光辐射，因此在这样的装置中采用氙辐射器作辐射源。加速的材料老化试验基本上是通过比天然的条件强得多地辐射样品得到，这样的辐射加速样品的老化。因此可能在相对短的时间得到材料样品的长期老化特性。
在人工老化装置中研究的样品大多数含有聚合物材料。在这些材料中，老化引起的劣化实质上是由阳光辐射中的紫外线组分导致的。在该过程中的光化学基本过程，即光子的吸收和激励状态或者说自由基的产生，不是温度的函数。相反，与聚合物或者添加剂的继发反应是温度的函数，并且从而所观察的材料老化同样是温度的函数。温度依赖性的程度是材料的函数和所观察的特性改变的函数。
考虑到这个事实，在聚合物材料的人工老化过程中，室温和/或样品温度一般保持恒定。由于老化的温度依赖性，必须知道温度和保持温度恒定，以能够相互比较不同的老化进程的结果。
由于直接测量所研究的材料样品的样品温度是个问题，在老化装置中使用温度传感器，其测量的温度用作样品温度。例如，黑色面板传感器可以用作这样的温度传感器。在公开的EP 0 320 209 A2中，说明了一种老化装置，它具有一个老化室，其中设置氙灯，作为用于输出预定强度的光的光源。位于老化室中的是一个圆柱地对称的样品支架框，可以绕光源转动。该样品支架框既承载所研究的材料样品，也承载黑色面板传感器。因此材料样品和黑色面板传感器在同样的条件下暴露于光源的辐射埸，以及设定在老化室内的其余条件。为了能够把样品温度控制在特定的限度以内，并且在老化室内均化温度，气流被附加地引入到老化室内，并且流过相对光源圆柱对称的方式固定于其中的样品支架框以及的材料样品和黑色面板传感器。在此情况下，气流从材料和黑色面板传感器散出一部分热量。这可以通过用黑色面板传感器测量的温度作为控制引入老化室的气流强度的控制信号，由此来进行温度控制。
用作温度传感器的黑色面板传感器、黑色标准传感器和白色标准传感器都设计得这些传感器具有带有在工作时面对光源的涂层表面的金属板，和在其背侧连接在所述金属板上的温度依赖性电子元件。在此情况下，所述电子元件由温度依赖性电阻器形成，譬如铂电阻器(商品名称Pt100或者Pt1000)，并且连接到电测量转换器电路。
具体地讲，黑色标准传感器具有一个在一侧涂黑的不锈钢板(厚1mm)、一个热耦连到末涂覆的背侧的Pt100或者Pt1000电阻器、一个用PVDF(聚偏氟乙烯)制造并且封闭所述铂电阻器的塑料板以及一个用不锈钢制造的盖板。白色标准传感器有相应的设计，区别在于在工作时面对光源的表面有白色涂层。与黑色标准传感器相比，黑色面板传感器含有在双侧都涂黑的金属板，并且没有PVDF绝缘材料。温度依赖性电阻器设置在背侧，没有周围绝缘材料。
在根据现有技术的老化装置中，使用黑色标准或者黑色面板传感器，以能够为每个老化过程确定黑色标准温度。黑色标准温度对为材料样品的表面温度所考虑的范围提供一个上限。另外，常常使用白色标准传感器，其温度测量提供该范围的下限。因此可以限定样品温度，并且，如果适当，可以把测量温度的算术平均值用作样品测量的第一近似值。
在投入使用以前，上述的温度传感器必须进行校准。所述的黑和白色标准传感器和黑色面板传感器当前使用所谓的接触温度测量法校准，在每个情况下都用标准传感器比较测量传感器。在此情况下，两个相同设计的传感器并列地布置在加热板上，而所述的加热板上涂黑(或白)。作为其变形，还可以把两个传感器都放进油浴或者水浴中。标准传感器事先已经借助于诸如水银测温计之类的标准测温计在油浴或者水浴中校准过，因此代表可以从PTB(PTB＝德国联邦计量所)标准找到依据的温度标准。在加热板上(或者在油浴或者水浴中)产生不同的温度。测量转换器的输出信号借助于标准温度传感器测量的温度而被校准，其中，所述测量转换器中集成了待校准的温度传感器的铂电阻器。
这种常规的校准方法的一个缺点是，它是通过排出氙灯辐射、湿度和气体流动的参数来实现校准，然而这些因素却恰好为在实际上老化装置中或者在户外老化中决定所述表面温度的那些因素。与电学温度传感器的接触问题和设计上的相对小的差别可能在实际条件下导致温度差，而这些因素没有被考虑。
常规的接触温度测量方法的另一个缺点是，在该过程中使用的标准温度传感器本身要完全地如同待校准的测量温度传感器那样设置，并且必须与之相同地校准。根据上述的设计，必须具有热耦合到金属板背侧的铂电阻器，以及与之相关联的电测量转换器。为了使之能够用作为标准的温度传感器，必须在油浴和水浴中校准。因为提供标准温度传感器相当地复杂。

发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种校准温度传感器的方法，特别是可以用在老化装置中的温度传感器，譬如黑色面板传感器、黑色标准传感器或者白色标准传感器，所述的方法可以以低廉的费用实现。尤其是，这样的校准方法的目的是提供一种参照温度传感器或标准温度传感器的简单设计，所述的参照温度传感器或标准温度传感器可以使用，也可以省略不用。本发明的校准方法的另一个目的在于，它适用于在老化装置的工作过程中主要在老化室内的条件下实施。
这些目标借助于独立权利要求1的特征实现。本发明的优选方式在从属权利要求中说明。还说明了用于实现本发明的方法的设备。
在此情况下，待校准的温度传感器以公知的常规方式设计，这就是说可以设计为上述的黑色面板传感器、黑色标准传感器或者白色标准传感器。温度传感器的一般形式的性质是，温度传感器具有包括在测量转换器电路之类的电路中的温度依赖性的电子元件。所述的元件优选地是温度依赖性电阻器，尤其是铂电阻器。
本发明的基本思想是在校准的过程中进行无接触温度测量。这种无接触温度测量既可以直接地由待测量的温度传感器的表面实现，也可以由参照温度传感器的表面实现。如下文还要说明，这依赖于对待校准的温度传感器的材料特性的了解。
具体地讲，在本发明的方法中a)在待校准的温度传感器的表面上以及，如果需要，还在参照温度传感器的表面上，产生可变的温度，b)用无接触方式测量待校准的温度传感器或者参照温度传感器表面上的温度，以及c)用测量到的温度校准电路的输出信号。
用之进行无接触温度测量的方式优选地是在步骤b)中测量表面的黑体辐射，并且由此来确定温度。这可以借助于至少在与所关注的温度范围相应的温度范围内校准了的常规的高温计(pyrometer)进行。用所述的高温计以特定的角度结合，对准待校准温度传感器或者参照温度传感器的表面上一个测量点，并且检测由该测量点辐射到相应的立体角度内的黑体辐射，并且由此来确定表面温度。
在通过测量黑体辐射来进行无接触温度测量时，先决条件是，待校准的温度传感器的表面材料的发射度(emittance)或者辐射率(emissivity)是已知的，因为待校准的温度传感器的发射黑体辐射的表面没有理想的黑体辐射体的特性(ε＝1)，并且辐射率ε总是小于1。特别是还必须知道辐射率的角度依赖性，因为，如以上所述，优选地用高温计检测以特定的立体角度发射的黑体辐射。
如果知道待校准的温度传感器表面的辐射率，就可以测量发射的黑体辐射，并且由此来计算表面温度。然后可以使用该表面温度校准其中包括铂电阻器的电路的输出信号。这会有很大的优势，因为不需要使用基本上与待校准的温度传感器很相似地设计的校准了的参照温度传感器。
然而另一个可能的情况是不知道待校准的温度传感器表面的辐射率。实际上，从黑色标准传感器或者黑色面板传感器得到的涂层材料的实践经验表明，特别地，由于这样的黑色涂层对老化的高度耐受性，它们被广泛地用作黑色标准或者黑色面板传感器的黑色涂层，具有不为准确知道的辐射率。在用复杂的方式确定辐射率以前，在这样的情况下，使用具有已知辐射率表面的参照温度传感器，可以实现本发明的方法。在步骤a)中，在待校准的温度传感器和在参照温度传感器的表面上，都在相同的条件下产生可变的温度，从而可以假定两个传感器的表面温度是相同的。在步骤b)中，只需要以无接触的方式测量参照温度传感器的表面的温度，并且该测量出的温度可以用在步骤c)中校准待校准的温度传感器的铂电阻器的电路的输出信号。如果需要，还可以与之并列地进一步测量待校准的温度传感器的黑体辐射，从而可以通过比较在参照温度传感器处的黑体辐射的测量和在待校准的温度传感器处的黑体辐射的测量，以确定待校准的温度传感器的辐射率。
当由于不知道待校准的温度传感器表面的辐射率而必须使用参照温度传感器时，所述的参照温度传感器不必采用与在常规接触测温方法中使用的标准温度传感器的复杂设计。在此要使用的参照温度传感器，例如，不需要在背侧与关联电路热耦连在一起上的温度依赖性电阻件。取而代之，参照温度传感器可以只含有在一侧或两侧涂敷了已知辐射率的、所要求的涂层(黑色或白色)的金属板。这样设计的参照测试传感器为本发明方法的该变形例制定了可以称之为PTB标准的温度标准。
本发明的方法还可以在诸如现在使用的的老化装置的老化室中典型地主导的条件下实现。在黑和白色标准传感器和黑色面板传感器经受工作过程中发生的参数的条件下，这使之能够对它们校准，所述参数譬如是氙光灯的光辐射、气流和潮湿。这些因素在实际上决定传感器的表面温度。
一方面，老化装置中主导的条件在很大的程度上由氙辐射器的光辐射决定。为了对本发明的校准方法提供大致地相同的条件，可以在步骤a)中在在待校准的温度传感器的表面上，并且如果需要，还在参照温度传感器的表面上，通过施加相应于太阳光谱的辐射，特别是氙光源的辐射，产生可变的温度。而且可以只在传感器表面的直接邻接处产生如同在老化装置中发生的那样的周绕的空气的气流。因此可以产生以平行于表面的方式流过传感器的气流。
上述的条件可以典型地在实现校准方法时，在样品的人工老化装置中或者结合样品的人工老化装置提供。
因此本发明还涉及用于相应于两个不同的变形例实现本发明的方法的装置。在第一个变形例中，提供一种定位设备，所述的定位设备具有容纳和固定待校准的温度传感器以及，如果需要，还容纳和固定参照温度传感器的装置，以及用于固定以无接触的方式测量的温度传感器，特别是高温计的装置。为了实现所述的校准方法，必须确保，优选通过从氙辐射源施加辐射能量而向待校准的温度传感器馈热。在第二个变形例中，改造商用老化装置使得可以在其中实现本发明所述的方法。为此目的，在所述的老化室内，提供容纳和固定待校准的温度传感器以及，如果需要，还容纳和固定参照温度传感器的装置，还可以通过样品固定框架提供这些装置。而且，有把无接触温度传感器(譬如高温计)固着在老化室的外壁上，以及至少在外壁上的一个孔内的装置的需要，由此可以把所述的高温计与固定在老化室内的温度传感器对齐。


下面参照附图更加详细地说明本发明，在附图中示出示例性实现例，并且在附图中图1经待校准的黑色标准传感器的纵剖面图；图2a、2b、2c用透视图(a)、侧视图(b)和正视图(c)示出作为实现校准方法的装置的一部分，而图3示出适用于实现校准方法的老化装置的内部的局部图。
具体实施例方式
在图1中示出诸如典型地用于监测所研究的材料样品温度的人工老化装置中的黑色标准传感器10。这种情况下，以材料样品相对于氙辐射源的相同几何对齐关系把这样的黑色标准传感器10固定在材料样品的附近。黑色标准传感器10在图1中示出在沿穿过中心的平面的纵剖面中，即铂电阻器3。
黑色标准传感器10具有在其主表面之一上设有黑色涂层2的矩形的不锈钢板1。在黑色标准传感器10的预期用途中，以及在校准所述的黑色标准传感器10的过程中，黑色涂层2面对氙辐射源7。安装在不锈钢板1的不涂黑的背侧的是铂电阻器3，在此，假定有理想的热耦连。另外，在不锈钢板1的背侧设置用PVDF(聚偏氟乙烯)制造的热绝缘塑料板5。在其中心，塑料板5具有面对不锈钢板1的切口5A，并且铂电阻器3位于所述的切口5A中。与切口5A邻接的是离开不锈钢板1走行至塑料板5的表面的导槽5B。导槽5B起把馈电线4通向铂电阻器3的作用。通过馈电线4，铂电阻器3连接到把铂电阻器3的电阻值转换成4～20mA的电流信号的适当的电路。
为了校准，在图1中没有按相对于黑色标准传感器10成真实比例的方式示出的氙辐射源7的光辐射7a施加在黑色标准传感器10上。如下文将详细说明，所述的校准方法可以在内含氙辐射源7的老化装置内部实现。另外，产生流经金属板1的直接附近表面的气流9，可以借助于风扇产生气流9。作为对此的变形，或者说附加，还可以使黑色标准传感器绕氙辐射源7旋转，使得在此情况下，指向垂直于画面的气流只含有在黑色标准传感器10和环境空气之间的相对运动。
无接触温度测量借助于常规的、光谱敏感范围为8～14μm的校准了的高温计8进行。高温计8以立体角度8a检测在不锈钢板1的涂黑表面上的、直径在10至20mm之间的点发射出的黑体辐射，并且在考虑黑色涂层2的辐射率(emissivity)的条件下使用所述的辐射计算表面温度。对于不知道待校准温度传感器10的黑色涂层2的辐射率的情况下，带有已知辐射率的黑色涂层的参照温度传感器布置在待校准的温度传感器10的直接附近，并且借助于高温计8测量黑体辐射。用从中计算出的表面温度来校准铂电阻器3或与之连接的(测量转换器)电路的输出信号。
实际的校准操作在现有技术中是公知的，它实质上与温度测量无关。如前已经说明，铂电阻器3(Pt100或者Pt100)经馈电线4连接在适当的电路上。所述的电路，例如，可以是市售的可编程的测量转换器电路，譬如以“DSCP80模块”的名称出售的智能测量设备(IntelligentInstrumentation)，并且在互联网址http//www.sensor-interface.de/dscp80.html的方框图的说明中有详细地说明。该现有技术并入本申请的公开容中作为参考。
在实际的校准操作前，首先借助于适当的测量电桥测定一个电阻器。对于铂电阻器Pt100或者Pt1000，存在有表示测量的阻值与温度之间的关系的表。这些曲线可以用多项式近似。不存在Pt100曲线的多项式的解析解，因此计算t(R)时计算往往只进行到二次项。所述的电阻值借助于可编程的测量转换器电路转换成4～20mA的电流信号(或者数字信号)，较低的值相应于20℃，而较高的值相应于180℃。以这样的方式预编程的该测量转换器电路借助于本发明的方法校准，在此实施例中的校准，实际上意味着把测量转换器电路设定和调节到借助于高温计测量的温度。该操作过程的要领是通过控制氙辐射源7的辐射功率，相继地设定表面温度的两个温度值。例如，首先设定辐射功率，使得高温计测量一个60℃的低值。然后通过补偿控制来设定DSCP 80温度传感器，使之同样地指示60℃的温度。然后增加辐射功率，使得高温计指示120℃的高值。然后使用DSCP 80测量转换器的放大倍数控制来设定DSCP 80测量转换器，使之同样地指示120℃的温度。在一些情况下，这个过程要相继互动地进行数次。
然而实践表明，第一个设定就已经足够了，并且只是为了检验才再测量两个温度值。然而，如果测定出大于1℃的偏差，就必须再进行一次所述的校准方法。
下面的两种可能性主要存在于实施本发明的方法中。首先，一方面，在待校准的温度传感器和参照温度传感器上可以提供一个适当的定位设备，另一个方面可以用可再现的方式相互定位高温计。然后，为了校准，需要在温度传感器的附近处提供辐射源，为此目的还可以把老化装置设置在定位设备的邻近处。另一方面，还可以通过用适当的方式改装现有的老化装置来实施本发明的方法。
图2a、b和c从不同的观察方向示出第一变形例。该变形例是一个定位设备20，所述的定位设备20具有两个平行的水平型材导轨14，在所述的型材导轨14上，于其一端固定两个垂直的平行型材导轨15。平台13安装在水平型材导轨14上，平台13可以沿导轨14位移，并且可以在所要求的位置固着在导轨14上。两个立方形的容纳块11并列地布置在平台13上，其布置的方式是使得可以在与型材导轨14的方向平行走行的导槽中沿型材导轨14的方向位移。在其上侧，容纳块11各有一个在其中可以放温度传感器的矩形凹陷。所述的容纳块11可以在任何所要求的位置固着在平台13上。
在其上端，垂直的型材导轨15通过水平的型材导轨16而相互连接。可以在水平型材导轨16的顶侧上的两个位置固着高温计的夹卡装置12，利用所述的夹卡装置12，在每个情况下都可以把高温计对准被定位在容纳块11中的两个温度传感器之一，如在图2c中所见的那样。夹卡装置12实质上含有一个管状的腔，可以从一侧推入高温计并且把高温计牢固地夹卡在其中。
至于实施本发明的方法第二变形例，以可以能实施本发明的方法的方式来改装或改造现有材料样品的人工老化装置。这实质上意味着，在老化装置的内壁之一上提供温度传感器的容纳和固定部分。图3示出人工老化装置的内部一部分的透视图。待校准的温度传感器和参照温度传感器并列地定位在水平的下内壁上。在位于温度传感器的纵方向的垂直内壁上形成两个孔，经所述两个孔，可以在每个情况下把外部固着的高温计对齐两个温度传感器之一。原则上在壳壁上只形成一个孔就够了，因为在校准过程中，原则上一次无接触温度测量和一个传感器就够了。任意一个待校准和具有已知辐射率的传感器位于所述的装置中，只需要在该传感器上测量温度。如果由于待校准的温度传感器的未知辐射率而附加地设置参照温度传感器，则所有要求的是用所述的参照温度传感器测量温度并且把它校准到待校准的温度传感器。然而优选形成两个孔，使得在最开始时就能够使用外部固着的高温计观察容纳温度传感器的两个容纳区域。高温计可以从外部借助于弹簧闩或类似物固着。
权利要求
1.一种校准温度传感器的方法，特别用于校准黑色面板传感器、黑色标准传感器或者白色标准传感器，其特征在于，温度传感器具有包括在电路中的温度依赖性电子元件，并且在所述的方法中a)在待校准的温度传感器的表面上以及，如果需要，还在参照温度传感器的表面上，产生可变的温度，b)用无接触方式测量待校准的温度传感器或者参照温度传感器表面上的温度，以及c)用测量到的温度校准电路的输出信号。
2.如权利要求1所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，在步骤b)中测量表面的黑体辐射，由此来确定温度。
3.如权利要求2所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，待校准的温度传感器表面的辐射率是已知的，并且在步骤b)中测量待校准的温度传感器的黑体辐射，然后根据辐射率来由此确定温度。
4.如权利要求2所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，待校准的温度传感器表面的辐射率是未知的，并且在步骤b)中测量参照温度传感器的黑体辐射，然后根据参照温度传感器表面的已知辐射率来由此确定表面温度。
5.如权利要求2至4任意一项所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，在步骤b)中，黑体辐射的测量是借助于与所述表面成预定的立体角度的、校准过的高温计来实现的。
6.如权利要求2所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，在步骤b)中测量由所述表面在一定立体角度内发射的黑体辐射。
7.如权利要求1至6任意一项所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，在步骤a)中，通过对温度传感器的表面施加相应于太阳光谱的辐射来产生可变的温度。
8.如权利要求1至7任意一项所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，在温度传感器表面的区域中产生平行于表面的气流。
9.如权利要求1至8任意一项所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，所述方法在样品的人工老化装置中实现，或者与样品的人工老化装置结合来实现。
10.一种定位设备，用于固定温度传感器，以实现如权利要求1至9任意一项所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，包括容纳和固定待校准的温度传感器(10)以及，如果需要，还容纳和固定参照温度传感器的装置(11、13、14)，以及用于固定无接触温度传感器(8)，特别是高温计(8)的装置(12、15、16)。
11.如权利要求10所述的定位设备，其特征在于，具有水平导轨(14)，该水平导轨(14)支撑平台(13)，该平台(13)带有用于容纳待校准的温度传感器(10)以及，如果需要，还容纳参照温度传感器(8)的容纳块(11)，以及垂直导轨(15)，其固着在水平导轨(14)上，并且在所述的垂直导轨(15)之间固着无接触温度传感器(8)的夹卡装置(12)。
12.一种用于实现权利要求1至9任意一项所述的校准温度传感器的方法的设备，其特征在于，具有如权利要求10或11所述的定位设备，由固定装置(12、15、16)固定的无接触温度传感器，以及装置(7)，用于向待校准的温度传感器(10)以及，如果需要，还向参照温度传感器馈送热能。
13.一种用于人工老化样品的设备，其被改造，用于实现如权利要求1至9任意一项所述的校准温度传感器的方法，其特征在于，具有容纳和固定待校准的温度传感器(10)以及，如果适当，容纳和固定参照温度传感器的装置，把无接触的温度传感器固着在所述设备的外壁上的装置，以及在外壁上的至少一个孔，使得可以通过所述孔把固定的无接触温度传感器与待校准的温度传感器或者与标准的温度传感器对齐。
全文摘要
一种温度传感器(10)，例如设计成黑色标准传感器，并且典型地用在材料样品的人工老化装置中，其具有不锈钢板(1)，所述的不锈钢板(1)设有黑色涂层并且在其背侧热耦连在铂电阻器(3)上。借助于馈电线(4)连接在铂电阻器(3)上的电测量转换器电路的输出信号，可以用由高温计(8)以无接触的方式测量的表面温度来校准。校准操作可以以老化装置中主导的条件下进行，就是说同时向传感器的表面施加氙辐射源(7)的光辐射和平行于表面的气流(9)。
文档编号G01J5/00GK1576812SQ20041007087
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月23日 优先权日2003年7月24日
发明者阿特·舍恩莱恩, 马丁·迪克特 申请人:阿特莱斯材料检测技术有限公司