Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Strahlungsthermo¬ meters, das einen Strahlungssensor und einen Umgebungstemperatursensor enthält, mittels eines Strahlungsnormals mit bekannter Temperatur.

Mit Hilfe eines Strahlungssensors läßt sich die Temperaturdifferenz zwischen einem Meßobjekt und einem Referenzobjekt - beispielsweise einem Verschluß oder dem Strahlungssensor selbst - bestimmen. Zur Ermittlung der absoluten Temperatur des Meßobjektes ist zusätzlich die Kenntnis der Temperatur des Referenzobjektes notwen¬ dig. 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 Umgebungstemperatursensor beinhaltet, müssen also beide Sensoren kalibriert werden. Bei bekannten Kalibrierungsverfahren werden die Ausgangssignale der beiden Sensoren bei unterschiedlichen Strahlungs- und Umgebungs- bzw. Referenztemperaturen bestimmt. Daraus lassen sich dann die entsprechenden Kalibrierparameter bestimmen. Zur Kalibrierung des Umgebungstemperatursensors wird die Umgebungstemperatur (evtl. auch mehrere) mit einem externen kalibrierten Thermometer bestimmt. Die Tempe¬ ratur des externen Thermometers muß der Temperatur des zu kalibrierenden Sensors möglichst nahe kommen (z.B. durch Tauchen des Sensors und des Thermometers in dieselbe Flüssigkeit oder durch eine längere Angleichphase). Die Kalibrierung des Umge¬ bungstemperatursensors findet also unabhängig von der Kalibrierung des Strahlungs¬ sensors statt.

Der Anmelderin ist aus dem Gebiet der Regelungstechnik bekannt, daß das Zeitverhalten eines Systems anhand von bestimmten Systemgrößen sowie von Parametern beschrie¬ ben wird, die letztlich das Zeitverhalten des Gesamtsystems beschreiben. Es ist be¬ kannt, zur Bestimmung dieser Parameter die zeitlich veränderlichen Größen des Systems 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 Systems beschrieben werden. Diese Methode ist unter dem Begriff der sogenannten Prozeßparameteridentifikation bekannt geworden. Dabei wird das

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Gleichungssystem überbestimmt, d.h. es werden mehr Paare von Meßgrößen aufgenom¬ men als eigentlich nötig wäre, so daß z.B. bei vier zu bestimmenden Größen sechs Gleichungen zur Verfügung stehen. Die zu bestimmenden Parameter werden anhand dieser sechs Gleichungen derart bestimmt, daß beispielsweise die quadratischen Fehler minimiert werden. Dadurch können Ungenauigkeiten bei der Messung einzelner System¬ größen ausgeglichen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Kali¬ brierung eines Strahlungsthermometers auf einfache Weise durchgeführt werden kann, das einen Strahlungssensor und einen Umgebungstemperatursensor aufweist.

Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, daß zur Kalibrierung zwar die Temperatur eines Strahlungsnormals, nicht jedoch die Umgebungs¬ temperaturen bekannt sein müssen. Die Umgebungstemperaturen lassen sich jedoch erforderlichenfalls bei der Kalibrierung aus den Ausgangssignalen des Strahlungssensors ermitteln. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher insbesondere auch zur Kalibrierung von Thermometern geeignet, die einen Strahlungssensor mit eingebautem Umgebungs¬ temperatursensor aufweisen, der Umgebungstemperatursensor also von außen gar nicht zugänglich ist. Aber auch bei der Kalibrierung von anderen Sensoren ist die exakte Bestimmung der jeweiligen Umgebungstemperaturen relativ aufwendig. Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist speziell bei der Serienfertigung von hochgenauen Strah¬ lungsthermometern für nicht allzu hohe Temperaturen (z.B. Strahlungs-Fieberthermo¬ meter) der Zeit- und Meßaufwand für die Kalibrierung deutlich geringer.

Vorteilhaft zeigt sich bei dem Verfahren nach Patentanspruch 3, daß mögliche Fehler bei der Messung der Strahlungstemperatur und der Erfassung der Sensorausgangssignale bei der Kalibrierung des Strahlungsthermometers ausgeglichen werden können.

Es folgt zunächst eine grundsätzliche Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Allgemein läßt sich die von einem Strahlungsthermometer zu messende Strahlungs¬ temperatur T _s als Funktion f der Umgebungstemperatur T _u , des Strahlungssensorsignals U und von n Kalibrierparametern k, , k ₂ , ..., k _n darstellen:

• s ⁼ ' ' ' U' ^' *1 ' *2' ^{■ • •} ' ^n'

Die Umgebungstemperatur Tu wird im Strahlungsthermometer aus dem Ausgangssignal R des entsprechenden Temperatursensors und der Funktion g bestimmt. Dazu müssen im allgemeinen m weitere Kalibrierparameter c,, c ₂ , ..., c _m bekannt sein:

T _υ = g(R, c _{1 f} c ₂ , ...cJ

Bei der Kalibrierung eines Strahlungsthermometers müssen also die p = n + m Parameter k _{1 r} k ₂ , ..., k _n , c, , c ₂ , ..., c _m bestimmt werden. Dazu wird bei geeigneter Variation der Umgebungs- und Strahlungstemperatur p mal das Ausgangssignal des Strahlungs¬ sensors und das Ausgangssignal des Umgebungstemperatursensors bestimmt. Daraus ergibt sich ein (nichtlineares) Gleichungssystem mit p Gleichungen und p Unbekannten:

T _s = f(g(R, c _{1 (} c ₂ , ..., c _m ), U, k, , k ₂ , ..., k _n )

Durch (numerische) Lösung dieses Gleichungssystems erhält man die m + n Parameter k, , k ₂ , ..., k _n , c _{1 r} c ₂ , ..., c _m . Die Umgebungstemperatur J _υ läßt sich daraus ebenfalls bestimmen. Werden dabei mehr als p Meßgrößen aufgenommen, kann ein Fehleraus¬ gleich vorgenommen werden.

Als Beispiel soll im folgenden ein Strahlungsthermometer dienen, das 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. Zur Kalibrierung wird in diesem Beispiel folgende Beziehung zwischen der Strahlungstemperatur T _s , dem Ausgangssignal U des Strahlungssensors und der Umgebungstemperatur T _u verwendet:

wobei S die Empfindlichkeit des Strahlungsthermometers ist, die unter anderem vom jeweils verwendeten Strahlungssensor und der Optik des Strahlungsthermometers abhängt. Dieser Parameter wird bei der Kalibrierung dadurch bestimmt, daß bei zwei verschiedenen Strahlungstemperaturen T _s ( 1 ) und T _s (2) (aber konstanter Umgebungs-

temperatur T _U = T _U ( 1 ) =T _U (2)) die Ausgangsspannungen U( 1 ) und U(2) des Strahlungs¬ sensors gemessen werden. Durch Umformung von (2.1 ) ergibt sich folgendes Glei¬ chungssystem:

Daraus läßt sich durch Subtraktion der ersten von der zweiten Gleichung und anschlie¬ ßendes Auflösen nach S direkt die Empfindlichkeit S _s U(2) U(l) w nw (2.3)

bestimmen. Ferner läßt sich durch Einsetzen der Gleichung (2.3) in die beiden Gleichun¬ gen (2.2) auch die Umgebungstemperatur J _u bestimmen:

oder

Der Widerstand R des Umgebungstemperatursensors läßt sich in folgender Form dar¬ stellen:

R = R ₀ [1 + (Ty -To) + nVT ₀ ) ² ] (2.6)

Dabei ist T ₀ eine Bezugstemperatur (25 °C), bei der der Widerstand den Wert R ₀ auf¬ weist. Typische Werte für die Parameter sind beispielsweise R ₀ = 1000 , = 7.8* 10 ^'3 K ^{" 1} und = 1 .910 ^"5 K ^'2 . Die Parameter R ₀ , und werden üblicherweise vom Hersteller des Sensors angegeben, allerdings mit gewissen Toleranzen. Durch Messung des Wider¬ stands R des Umgebungstemperatursensors bei der oben bestimmten Umgebungs¬ temperatur J _u läßt sich der Bezugswiderstand R ₀ bei der Kalibrierung individuell durch Auflösen der Gleichung (2.6) nach R ₀ bestimmen:

R

K 1 (T _υ T ₀ ) (T _υ τ ₀ f

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.

Falls die vom Hersteller angegebenen Toleranzen für die Parameter und zu groß sind, um die geforderte Genauigkeit zu erreichen, lassen sich auch diese Parameter individuell bestimmen. Dazu werden bei einer anderen konstanten Umgebungstemperatur Tu' = Tu'(1 ) = Ty'(2) die Ausgangsspannungen U(1 )' und U(2)' des Strahlungssensors sowie der Widerstand R(2) des Umgebungstemperatursensors gemessen und daraus, analog wie oben, die andere Umgebungstemperatur T^ aus der Gleichung (2.4) oder (2.5) und der Parameter durch Auflösen der Gleichung (2.6) nach bestimmt. Will man auch noch den Parameter individuell bestimmen, wird der Kalibriervorgang noch bei einer dritten konstanten Umgebungstemperatur Tu" wiederholt.

Analog lassen sich - falls notwendig - weitere Kalibrierparameter bestimmen, beispiels¬ weise der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit des Strahlungssensors.

Auch können statt der Gleichung (2.1 ) Gleichungen bei der Kalibrierung verwendet werden, die an die Strahlungscharakteristik der Meßobjekte angepaßt sind, deren Temperaturen mit dem Strahlungsthermometer gemessen werden sollen.

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.

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