DE19613229C2 - Verfahren zur Kalibrierung eines Strahlungsthermometers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Strahlungsthermo­ meters nach Patentanspruch 1.

Mit Hilfe eines Strahlungssensors läßt sich die Temperaturdifferenz zwischen einem Meßobjekt und einem Referenzobjekt - beispielsweise einem Verschluß oder dem Strahlungssensor - bestimmen. Zur Ermittlung der absoluten Temperatur des Meß­ objektes ist zusätzlich die Kenntnis der Temperatur des Referenzobjektes notwendig. Diese Temperatur wird zweckmäßigerweise mit einem Temperatursensor bestimmt, der thermisch möglichst gut an das Referenzobjekt gekoppelt ist.

Bei der Kalibrierung eines Strahlungsthermometers, das einen Strahlungssensor und einen Referenz-Temperatursensor beinhaltet, müssen also beide Sensoren kalibriert werden. Zur Kalibrierung werden die Ausgangssignale der beiden Sensoren bei unter­ schiedlichen Strahlungs- und Umgebungs- bzw. Referenztemperaturen bestimmt. Daraus lassen sich dann die entsprechenden Kalibrierparameter bestimmen. Zur Kalibrierung von Strahlungsthermometern, die neben einem Strahlungssensor auch einen Referenz­ temperatursensor beinhalten, wird die Referenztemperatur (evtl. auch mehrere) mit einem externen kalibrierten Thermometer bestimmt. Die Temperatur des externen Thermometers muß dem zu kalibrierenden Sensor möglichst nahe kommen (z. B. durch Tauchen in eine Flüssigkeit oder durch eine längere Angleichphase). Dieses Verfahren entspricht dem allgemeinen Vorgehen zur Kalibrierung eines (Umge­ bungs)-Temperatursensors und kann auch unabhängig von der Kalibrierung des Strah­ lungssensors stattfinden.

Der Anmelderin ist aus dem Gebiet der Regelungstechnik bekannt, daß das Zeitverhalten eines Systemes anhand von bestimmten Systemgrößen sowie von Parametern be­ schrieben wird, die letztlich das Zeitverhalten des Gesamtsystemes beschreiben. Es ist bekannt, zur Bestimmung dieser Parameter die zeitlich veränderlichen Größen des Systemes zu Erfassen und mit den erfaßten Größen das Gleichungssystem nach den Parametern aufzulösen. Dadurch kann dann für die Zukunft anhand der so ermittelten Parameter das Zeitverhalten des Systemes beschrieben werden. Diese Methode ist unter dem Begriff der sogenannten Prozeßparameteridentifikation bekannt geworden. Dabei wird das Gleichungssystem überbestimmt, d. h. es werden mehrer Paare von Meßgrößen aufgenommen, so daß z. B. bei vier zu bestimmenden Größen sechs Glei­ chungen zur Verfügung stehen. Die zu bestimmenden Parameter werden anhand dieser sechs Gleichungen derart bestimmt, daß beispielsweise die quadratischen Fehler mini­ miert werden. Dadurch können Ungenauigkeiten bei der Messung einzelner System­ größen ausgeglichen werden.

Im Anspruch 1 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Kalibrierung der Parameter eines Strahlungsthermometers auf einfache Weise durchgeführt werden kann.

Das wesentliche Merkmal des hier beschriebenen Verfahrens ist die Tatsache, daß zwar die Strahlungs-, nicht jedoch die Referenztemperaturen bekannt sein müssen. Die Referenztemperaturen lassen sich bei der Kalibrierung indirekt aus den Strahlungs­ temperaturen ermitteln.

Speziell bei der Serienfertigung von hochgenauen Strahlungsthermometern für nicht allzu hohe Temperaturen (z. B. Strahlungs-Fieberthermometer) ist die exakte Bestimmung der jeweiligen Referenztemperaturen relativ aufwendig. Mit dem hier beschriebenen Verfah­ ren ist der Zeit- und der Meßaufwand deutlich geringer.

Vorteilhaft zeigt sich bei dem Verfahren nach Patentanspruch 2, daß mögliche Meß­ fehler bei der Bestimmung der Strahlungstemperatur bei der Bestimmung der Parameter des Strahlungsthermometers ausgeglichen werden können.

Es folgt eine allgemeine Darstellung der Erfindung.

Im Allgemeinen ist die zu bestimmende Strahlungstemperatur T_s eine Funktion f der Referenztemperatur T_u, des Strahlungssensorsignals U und n Kalibrierparameter k₁, k₂, ..., k_n.

T_s = f(T_u, U, k₁, k₂, ..., k_n)

Die Referenztemperatur T_u wird im Strahlungsthermometer aus dem Ausgangssignal R des entsprechenden Temperatursensors und der Funktion g bestimmt. Dazu sind im all­ gemeinen m weitere Kalibrierparameter c₁, c₂, ..., c_m notwendig:

T_u = g(R, c₁, c₂, ...c_m)

Bei der Kalibrierung eines Strahlungsthermometers müssen also die p = n + m Parameter k₁, k₂, ..., k_n, c₁, c₂, ..., c_m bestimmt werden.

Dazu werden durch geeignete Variation der Referenz- und Strahlungstemperatur p mal die Ausgangssignale der beiden Sensoren bestimmt. Daraus ergibt sich ein (nicht­ lineares) Gleichungssystem mit p Gleichungen und p Unbekannten:

T_s = f(g(R, c₁, c₂, ..., c_m), U, k₁, k₂, ..., k_n)

Durch (numerische) Lösung dieses Gleichungssystems erhält man die m + n Parameter k₁, k₂, ..., k_n, c₁, c₂, ..., c_m. Die Referenztemperatur läßt sich daraus ebenfalls bestim­ men. Werden dabei mehr als p Meßgrößen aufgenommen, kann ein Fehlerausgleich vorgenommen werden.

Als Beispiel soll im folgenden ein Strahlungsthermometer dienen, daß einen Thermosäulen-Strahlungssensor und einen Silizium-Widerstand enthält. Der Silizi­ um-Widerstand dient zur Messung der Umgebungstemperatur, die hier mit der Referenz­ temperatur identisch ist. Die Strahlungstemperatur Ts wird in diesem Beispiel aus dem Ausgangssignal U des Strahlungssensors und der Umgebungstemperatur Tu über folgende Beziehung bestimmt:

Die Empfindlichkeit S ist unter anderem abhängig vom Strahlungssensor und von der vorhandenen Optik. Dieser Parameter muß individuell bei der Kalibrierung bestimmt werden.

Das Ausgangssignal bzw. der Widerstand R des Umgebungstemperatursensors läßt sich in folgender Form darstellen:

R = R₀[1 + α(T_u - T₀) + β(T_u - T₀)²] (2.2)

Dabei ist T₀ eine Bezugstemperatur (z. B. 25°C) bei der der Widerstand R den Wert R₀ aufweist. Typische Werte für die Parameter sind beispielsweise R₀ = 1000 Ω, α = 7.8 . 10^-3 K^-1 und β = 1.9 . 10^-5 K^-2. Der Bezugswiderstand R₀ wird bei der Kalibrierung individuell bestimmt, für den Parameter α ist dies u. U. auch notwendig, für β jedoch nicht. Die Umgebungstemperatur ist dann:

Zur Bestimmung der beiden Kalibrierparameter S und R₀ werden bei zwei verschiedenen Strahlungstemperaturen Ts(1) und Ts(2) (aber konstanter Umgebungstemperatur Tu = Tu(1) = Tu(2)) der Widerstand des Umgebungstemperatursensors R(1) und R(2), sowie die Ausgangsspannung des Strahlungssensors U(1) und U(2) bestimmt. Damit läßt sich durch Umformung von (2.1) folgendes Gleichungssystem aufstellen:

Daraus läßt sich durch Subtraktion der ersten von der zweiten Gleichung und anschlie­ ßendes Auflösen nach S direkt die Empfindlichkeit S

bestimmen. Auflösen der beiden Gleichungen (2.4) nach S, Subtraktion sowie Auflösen nach T_u ergibt:

oder

Mit Hilfe der nun indirekt bestimmten Umgebungstemperatur kann man den Parameter Ro berechnen durch entsprechendes Auflösen von (2.2):

Anmerkung: Diese einfachen Beziehungen gelten nur, falls die Umgebungstemperatur bei den beiden Messungen gleich ist. Andernfalls ergibt sich ein nichtlineares Gleichungs­ system, das ggf. numerisch gelöst werden muß.

Analog lassen sich - falls notwendig - weitere Kalibrierparameter bestimmen, beispiels­ weise der Temperataurkoeffizient des Silizium-Widerstandes α und der Temperaturkoef­ fizient der Empfindlichkeit des Strahlungssensors.

Das vorgenannte Verfahren kann beispielsweise auf einem Mikrocontroller programmiert werden. Die Parameter können dabei durch den Mikrocontroller festgelegt werden. Dieser Mikrocontroller kann dabei als externes Gerät vorhanden sein und die bestimmten Parameter in einer entsprechenden Einrichtung des Strahlungsthermometers ablegen. Ebenso ist es auch möglich, den in einem Strahlungsthermometer vorhandenen Mikro­ controller zur Bestimmung der Parameter zu verwenden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Strahlungsthermometers, das einen Strahlungs­ sensor und einen Umgebungstemperatursensor enthält, mittels eines Strahlungs­ normals mit bekannter Temperatur (T_S(1), T_S(2)), dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer ersten Umgebungstemperatur (T_U) das Ausgangssignal des Umge­ bungstemperatursensors und die Ausgangssignale des Strahlungssensors bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturen (T_S(1), T_S(2)) des Strahlungs­ normals erfaßt werden,
und daß anhand der erfaßten Ausgangssignale sowohl der Strahlungssensor als auch der Umgebungstemperatursensor kalibriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kalibrierung in mindestens einem zusätzlichen Schritt bei einer zweiten oder bei weiteren Umgebungstemperatur(en) (T_U'; T_U"; ...) das Ausgangssignal des Umgebungstemperatursensors und die Ausgangssignale des Strahlungssensors bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturen (T_S(1), T_S(2)) des Strahlungs­ normals erfaßt und zur Kalibrierung verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als zwei Strahlungstemperaturen die Ausgangssignale des Strah­ lungssensors erfaßt und zur Kalibrierung verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungstemperatursensor ein temperaturabhängiger Widerstand ist, der bei einer bestimmten Bezugstemperatur einen Bezugswiderstand (R₀) aufweist, und daß die Empfindlichkeit (S) des Strahlungssensors, der Bezugswiderstand (R₀) des Umgebungstemperatursensors und/oder die Umgebungstemperatur (T_U) bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4 soweit auf Anspruch 2 oder 3 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, das die Temperaturabhängigkeit des Widerstands ferner durch einen linearen Temperaturkoeffizient und ggfs. weitere Temperaturkoeffizienten höheren Grades beschreibbar ist, und daß zur Bestimmung der Temperaturkoeffizienten auch die bei der zweiten oder bei den weiteren Umgebungstemperatur(en) (T_U'; T_U"; ...) erfaß­ ten Ausgangssignale verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungstemperatursensor mittels der bestimmten Umgebungstempera­ tur(en) (T_U'; T_U"; ...) kalibriert wird.