СПОСОБ И СИСТЕМА КОРРЕКЦИИ НА ОСНОВЕ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАДИАЦИОННОГО ТЕРМОМЕТРА Российский патент 2014 года по МПК G01J5/00 G06F17/17 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиационному термометру в области техники измерительной аппаратуры, в частности, к способу коррекции на основе квантовой теории и системе радиационного термометра для повышения точности радиационного термометра.

Уровень техники

Радиационный термометр, обычно называемый инфракрасным термометром, является высокоточным бесконтактным температурным датчиком, который принимает энергию теплового излучения объекта, температура которого должна измеряться, через оптическую систему, преобразует ее в электрические сигналы, обрабатывает данные посредством микрокомпьютера и отображает значение температуры на дисплее. Обработка сигналов микрокомпьютером в радиационном термометре основана на функциональной взаимосвязи между энергией теплового излучения, принимаемой посредством измерительной аппаратуры, и температурой объекта, который должен измеряться.

В национальном и международном предшествующем уровне техники радиационные термометры разрабатываются на основе правила теплового излучения модели абсолютно черного тела, в котором объект, который должен измеряться, предполагается в качестве абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело представляется как стандартное черное тело, которое глобально перечисляется в каталогах измерительной аппаратуры с обязательной поверкой посредством законов метрологии. Тем не менее, люди сталкиваются с такой проблемой, что объекты, которые должны измеряться, показаны посредством различных условий теплового излучения. Реальный результат недоступен, если не получена взаимосвязь между правилом теплового излучения абсолютно черного тела и правилом теплового излучения других объектов, когда применяется радиационный термометр. Тем не менее, в конце 19-го столетия установлена теория излучения черного тела, в которой отличие между абсолютно черным телом и объектами на основе закона Кирхгофа в классических теориях упрощено до рассмотрения энергетической яркости. Следовательно, трудно корректировать энергетическую яркость в долгосрочной перспективе, когда люди пытаются устанавливать взаимосвязь между правилом теплового излучения абсолютно черного тела и правилом теплового излучения объектов, которые должны измеряться. Точность измерения температуры не может быть повышена. Фактически, это одна из трудностей, с которыми сталкиваются классические теории. Формула и способ, применяемые в предшествующем уровне техники, основаны на следующих принципах:

I. Принцип с использованием физической модели абсолютно черного тела

В качестве идеализированной физической модели абсолютно черное тело поглощает полное падающее излучение и представляет максимальную энергетическую яркость. Энергия спектральной энергетической яркости описывается с помощью формулы Планка следующим образом:

,

где E₀(λ.T) является спектральной плотностью лучистого потока излучения черного тела с единицей измерения Вт·см^-2·мкм^-1; C₁ - первая постоянная излучения, равна 3,74×10^-12 Вт·см^-2; C₂ - вторая постоянная излучения, равна 1,44 см·K; λ является длиной волны спектрального излучения с единицей измерения мкм; T является идеальной температурой черного тела с единицей измерения K.

Выше приведена стандартная физическая модель абсолютно черного тела. Предметы в природе (объекты, которые должны измеряться), тем не менее, имеют более низкую поглощающую и излучательную способность, чем абсолютно черное тело (что называется серым телом). Чтобы корректировать ошибку между абсолютно черным телом и серым телом, разрабатывается физическая модель, аналогичная практике. Энергия спектральной энергетической яркости серого тела описывается следующим образом:

,

где ε(λ.T) является энергетической яркостью объекта, который должен измеряться, при температуре T с длиной λ волны излучения; 0<ε(λ.T)<1

Формула (2) представляет то, что радиационный термометр может быть разработан на основе правила теплового излучения черного тела при условии, что тепловое излучение, принимаемое посредством оптической системы, является пропорциональным E₀(λ.T). ε(λ.T) детализируется для того, чтобы повышать точность измерения. Тем не менее, тепловое излучение, принимаемое посредством радиационного термометра, является пропорциональным E(λ.T). Следовательно, в заявке должен быть получен ε(λ.T) объекта, что означает то, что требуется коррекция энергетической яркости. Тем не менее, энергетическая яркость ε(λ.T), которая зависит от материала, поверхностного состояния, длины волны, температуры, режима излучения и факторов внешней среды, не может быть описана с помощью явной формулы. Тот факт, что значение ε(λ.T) не может быть точно определено, является проблемой коррекции энергетической яркости именно тогда, когда применяется радиационный термометр.

II. Физическая модель, приспосабливающая известный обработанный на микрокомпьютере сигнал в радиационном термометре, состоящая из узкой полосы частот и широкой полосы частот

1.

,

для радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот.

В формуле (3), E₀(λ₀.T) является спектральной плотностью лучистого потока излучения абсолютно черного тела с единицей измерения Вт·см^-2·мкм^-1; C₁ - первая постоянная излучения, равна 3,74×10^-12 Вт·см^-2; C₂ - вторая постоянная излучения, равна 1,44 см·K; λ₀ является рабочей длиной волны инфракрасного температурного датчика с единицей измерения мкм; T является абсолютной температурой черного тела с единицей измерения K; E(λ₀.T') является спектральной плотностью лучистого потока излучения объекта, который должен измеряться (серого тела), с единицей измерения Вт·см^-2·мкм^-1; T' является температурой объекта; ε(λ₀.T') является энергетической яркостью объекта при температуре T' с радиационной длиной λ₀ волны (0<ε(λ₀.T')<1). Значение ε(λ₀.T') трудно определять, и оно должно задаваться пользователем через кнопку е на измерительных приборах.

2.

,

для радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот.

В формулах (5) и (6), E₀(λ.T) является единичной энергетической светимостью абсолютно черного тела, включающей в себя полную мощность различной длины волны, с единицей измерения Вт/см²; σ - постоянная Стефана, равна 5,67×10^-12 Вт/см²·K⁴; T является температурой абсолютно черного тела; E(λ₀.T') является единичной энергетической светимостью объекта (серого тела), включающей в себя полную мощность различной длины волны, с единицей измерения Вт/см²; T' является температурой объекта; ε(λ₀.T') является энергетической яркостью объекта при температуре T' с радиационной длиной λ₀ волны, где 0<ε(λ₀.T')<1; λ₀ является центральной длиной волны рабочей полосы частот измерительного прибора. Значение ε(λ₀.T') трудно определять, и оно должно задаваться пользователем через кнопку ε на измерительном приборе. В предшествующем уровне техники радиационные термометры калибруются посредством стандартного черного тела, температура которого управляется посредством термопарного термометра. Следовательно, температура черного тела, измеряемая посредством радиационного термометра, должна быть согласована с известной управляемой температурой. Радиационный термометр, калиброванный согласно вышеуказанному требованию, является применимым только для того, чтобы измерять яркостную температуру объекта. (Когда мощность излучения объекта равна мощности излучения черного тела с температурой T, величина T задается как яркостная температура объекта.) Реальная температура объекта доступна только тогда, когда значение энергетической яркости ε задается пользователем.

В общем, температура, измеряемая посредством способа, применяемого к радиационным термометрам в предшествующем уровне техники, значительно отклоняется от реальной температуры объекта, который должен измеряться. Измеряется яркостная температура объекта, при этом реальную температуру трудно определять.

Сущность изобретения

Чтобы повысить точность измерения температуры и расширить применение, настоящее изобретение обеспечивает способ коррекции на основе квантовой теории и систему радиационного термометра для повышения точности радиационного термометра. Упомянутый способ содержит следующие операции:

(1) Измерение стандартной температуры Ti объекта посредством использования стандартной измерительной аппаратуры для измерения температуры. Измерение напряжения Ui(Ti) сигнала теплового излучения объекта, где i=1, 2, 3, 4,..., N, и N является положительным целым числом, посредством использования системы радиационного термометра в состоянии калибровки. Ввод упомянутой стандартной температуры Ti и упомянутого напряжения Ui(Ti) сигнала теплового излучения в PC или MCU с помощью физической модели снаружи или внутри системы радиационного термометра для обработки данных, чтобы обнаруживать параметры, отражающие структуру энергетических уровней.

Упомянутая физическая модель включает в себя:

U(T)=A(e^B/T-1)^-1 используется в случае системы радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот. После того, как рабочая полоса частот выбирается надлежащим образом, модель упрощается как U(T)=A(e^B/T), если рабочая полоса частот является короткой волной; и U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной. Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов:

используется в случае системы радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот, где A(λ)=C₁λ^-5 и B(λ)=-C₂/λ. После того, как рабочая полоса частот выбирается надлежащим образом, модель упрощается как U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT, если рабочая полоса частот является рабочей полосой частот короткой волны; U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является рабочей полосой частот длинной волны. Параметры A, B, C и D или параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и подгонки с помощью метода наименьших квадратов:

U(T)=AT^B используется в случае системы радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот. Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов.

(2) Ввод упомянутых обнаруженных параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра.

(3) Активация системы радиационного термометра в режиме измерения температуры, чтобы измерить температуру объекта. Обнаружение значения энергии излучения объекта через оптическую систему.

(4) Обнаружение значения температуры объекта посредством вычисления и обработки через PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра согласно физической модели.

(5) Отображение упомянутого значения температуры на дисплее.

Упомянутая система радиационного термометра выполнена с возможностью определять значение параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, который должен измеряться, и определять значение температуры объекта.

Ввод полученных параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать радиационный термометр на этапе (2), в частности, включает в себя:

ввод обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в систему радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот; ввод обнаруженных параметров A, B, C и D или параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в систему радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот; ввод обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в систему радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот.

Упомянутые обнаруженные параметры, отражающие структуру энергетических уровней, вводятся в упомянутую систему радиационного термометра посредством ввода с клавиатуры или передачи данных.

Значение температуры объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра согласно физической модели на этапе (4), в частности:

значение температуры объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра согласно физической модели на основе узкой полосы частот или физической модели на основе широкой полосы частот, или физической модели на основе бесконечной полосы частот.

Упомянутая стандартная измерительная аппаратура для измерения температуры является стандартным платиновым термометром сопротивления, стандартным термопарным термометром или стандартным ртутным термометром.

Система скорректированного на основе квантовой теории радиационного термометра для повышения точности радиационного термометра содержит

модуль измерений, который используется для измерения стандартной температуры Ti посредством стандартной измерительной аппаратуры для измерения температуры; напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения объекта, который должен измеряться, где i=1, 2, 3, 4,..., N (N является положительным целым числом), измеряется посредством системы радиационного термометра в режиме калибровки. Упомянутая стандартная температура Ti и упомянутое напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения вводятся в PC или MCU внутри или снаружи системы радиационного термометра с использованием физической модели для обработки данных.

Упомянутая физическая модель включает в себя:

U(T)=A(e^B/T-1)^-1 в случае системы радиационного термометра с узкой рабочей полосой частот. После того, как рабочая полоса частот выбирается надлежащим образом, вышеуказанная модель упрощается как U(T)=A(e^B/T), если рабочая полоса частот является короткой волной; и как U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной. Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и обработки данных с помощью метода наименьших квадратов.

в случае системы радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот, где A(λ)=C₁λ^-5 и B(λ)=-C₂/λ. После того, как рабочая полоса частот выбирается надлежащим образом, модель упрощается как U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT, если рабочая полоса частот является короткой волной; U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной. Параметры A, B, C и D или параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов.

U(T)=AT^B в случае системы радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот. Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и подгонки с помощью метода наименьших квадратов.

Модуль калибровки, используемый для калибровки упомянутой системы радиационного термометра посредством ввода упомянутых параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра;

PC или MCU внутри системы радиационного термометра, используемый для калибровки упомянутого радиационного термометра согласно упомянутым параметрам, отражающим структуру энергетических уровней; и вычисления согласно физической модели, чтобы получать значение температуры объекта, который должен измеряться.

Модуль измерения температуры, используемый для задания упомянутой системы радиационного термометра в режиме измерения температуры и измерения температуры объекта;

оптическую систему, инфракрасный детектор и усилительную схему, используемые для приема энергии излучения объекта, который должен измеряться;

PC или MCU снаружи или внутри системы радиационного термометра, используемого для обработки упомянутой обнаруженной стандартной температуры Ti и упомянутого напряжения Ui(Ti) сигнала теплового излучения и обнаружения параметров, отражающих структуру энергетических уровней, согласно физической модели;

дисплей, используемый для отображения упомянутого обнаруженного значения температуры.

Упомянутая система радиационного термометра допускает определение значения параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, и определение значения температуры объекта, который должен измеряться.

Упомянутый модуль калибровки содержит:

первичный субмодуль калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот;

вторичный субмодуль калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A, B, C и D или A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот;

третий субмодуль калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот.

Упомянутый модуль калибровки также включает в себя:

модуль ввода с клавиатуры или передачи данных, используемый для ввода упомянутых обнаруженных параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра.

Температура объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра согласно физической модели, в частности:

температура объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления согласно физической модели на основе узкой полосы частот или физической модели на основе широкой полосы частот, или физической модели на основе бесконечной полосы частот.

Стандартная измерительная аппаратура для измерения температуры является стандартным платиновым термометром сопротивления или стандартным термопарным термометром, или стандартным ртутным термометром.

Технические решения, предоставляемые в настоящем изобретении, обеспечивают следующие преимущества.

Настоящее изобретение предоставляет способ, в котором параметры, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством обработки данных на основе эффективной физической модели с вводом с клавиатуры или передачей данных; значение температуры объекта, который должен измеряться, в конечном счете получается и отображается на дисплее. Посредством преодоления такой трудности, что энергетическая яркость ε(λ.T) не может быть точно определена, которая встречается, когда способ "коррекции энергетической яркости" используется для повышения точности измерения температуры, в то время как точность радиационного термометра значительно повышается. Теоретически, вариант применения настоящего изобретения может быть использован для того, чтобы разрабатывать радиационный термометр согласно конкретным условиям измерения, при этом конкретные условия содержат различные факторы, влияющие на прием энергии излучения от объекта посредством оптической системы измерительного прибора, такие как энергетическая яркость объекта, фоновое излучение, поглощение среды, рабочая полоса частот радиационного термометра и т.д. Настоящее изобретение может исключать системную ошибку вследствие трудности коррекции энергетической яркости и различных влияний окружающей среды, так что точность радиационного термометра значительно повышается.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 показывает функциональную схему настоящего изобретения;

фиг.2 показывает блок-схему последовательности операций способа настоящего изобретения;

фиг.3 показывает схему обработки данных настоящего изобретения;

фиг.4 показывает структурную принципиальную схему системы радиационного термометра, предоставляемой в настоящем изобретении;

фиг.5 показывает структурную принципиальную схему модуля калибровки, предоставляемого в настоящем изобретении;

фиг.6 показывает другую структурную принципиальную схему модуля калибровки, предоставленного в настоящем изобретении.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Чтобы дополнительно пояснять цель, область техники и преимущества настоящего изобретения, варианты осуществления настоящего изобретения подробно описываются с использованием прилагаемых чертежей.

Чтобы повысить точность измерения температуры и расширить область применения, варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют способ коррекции на основе квантовой теории и систему радиационного термометра для повышения точности радиационного термометра. Варианты осуществления на основе современной квантовой теории, в которой сущностью излучения является квантовый переход микроскопических частиц, описывают уравнение Планка с длиной волны в качестве "параметров, отражающих структуру энергетических уровней", и определяют значение "параметров, отражающих структуру энергетических уровней" для объекта, который должен измеряться, посредством экспериментального способа. Настоящее изобретение преодолевает трудность в повышении точности радиационного термометра посредством применения способа коррекции энергетической яркости в предыдущие 100 лет и значительно повышает точность радиационного термометра. То, что показано на фиг.1 и фиг.2, подробно описывается следующим образом

Этап 101: Измерение стандартной температуры Ti объекта, который должен измеряться, с использованием стандартной измерительной аппаратуры для измерения температуры. Измерение напряжения Ui(Ti) сигнала теплового излучения объекта, где i=1, 2, 3, 4,..., N, и N является положительным целым числом, с использованием системы радиационного термометра в режиме калибровки. Ввод измеренной стандартной температуры Ti и напряжения Ui(Ti) сигнала теплового излучения в PC или MCU с помощью физической модели снаружи или внутри системы радиационного термометра для обработки данных, чтобы обнаруживать параметры, отражающие структуру энергетических уровней; при этом N является положительным целым числом.

Стандартный измерительный прибор для измерения температуры является стандартным платиновым термометром сопротивления, стандартным термопарным термометром или стандартным ртутным термометром.

Система радиационного термометра имеет функции калибровки и измерения температуры, при этом калибровка нацелена на определение значения параметров, отражающих структуру энергетических уровней, тогда как измерение температуры нацелено на определение температуры объекта, который должен измеряться.

Кроме того, физические модели, установленные в PC или MCU снаружи или внутри системы радиационного термометра, включают в себя:

U(T)=A(e^B/T-1)^-1 (формула Планка) в случае радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот; эта физическая модель имеет очень сложные вычисления, но после того, как подходящая рабочая полоса частот выбрана, модель может быть упрощена в следующие физические модели:

[1] U(T)=A(e^B/T) (уравнение Вина), если рабочая полоса частот является короткой волной,

[2] U(T)=AT+B (закон Рэлея-Джинса), если рабочая полоса частот является длинной волной.

Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов.

(интеграл относительно формулы Планка в рабочей полосе частот) в случае радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот; где A(λ)=C₁λ^-5 и B(λ)=-C₂/λ. Эта физическая модель имеет очень сложные вычисления, но после того, как выбирается подходящая рабочая полоса частот, модель может быть упрощена в следующие физические модели:

[3] U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT (интеграл относительно уравнения Вина в рабочей полосе частот), если рабочая полоса частот является короткой волной,

[4] U(T)=AT+B (интеграл относительно закона Рэлея-Джинса в рабочей полосе частот), если рабочая полоса частот является длинной волной.

Параметры A, B, C и D или параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов.

U(T)=AT^B в случае радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот. Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов, при этом интеграл относительно уравнения Вина в рабочей полосе частот следующий:

,

где A(λ)=C₁λ^-5 и B(λ)=-C₂/λ.

Этап 102: Ввод упомянутых полученных параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать упомянутую систему радиационного термометра.

Этот этап включает в себя следующее.

Ввод обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот; ввод обнаруженных параметров A, B, C и D или параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот; ввод обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать радиационный термометр с помощью бесконечной рабочей полосы частот.

Обнаруженные параметры, отражающие структуру энергетических уровней, вводятся в систему радиационного термометра посредством ввода с клавиатуры или передачи данных.

Этап 103: Активация системы радиационного термометра в состоянии измерения температуры, чтобы измерять температуру объекта. Обнаружение значения U(T) энергии излучения объекта через оптическую систему.

Этап 104: Обнаружение значения T температуры объекта, который должен измеряться, посредством вычисления и обработки через PC или MCU внутри системы радиационного термометра согласно физической модели.

На этом этапе значение T температуры объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления PC или MCU внутри системы радиационного термометра согласно физической модели на основе узкой полосы частот или физической модели на основе широкой полосы частот, или физической модели на основе бесконечной полосы частот.

Этап 105: Значение T температуры отображается на дисплее.

Следовательно, варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют способ коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра. Параметры, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством обработки данных на основе эффективной физической модели с вводом с клавиатуры или передачей данных. Значение температуры объекта, который должен измеряться, в итоге получается и отображается на дисплее. Посредством преодоления такой трудности, что энергетическая яркость ε(λ.T) не может быть точно определена, которая встречается в случае способа коррекции энергетической яркости, точность радиационного термометра значительно повышается. Теоретически, применение вариантов осуществления настоящего изобретения может быть использовано для того, чтобы разрабатывать радиационный термометр согласно конкретным условиям измерения, при этом конкретные условия содержат различные факторы, влияющие на прием энергии излучения от объекта посредством оптической системы измерительного прибора, такие как энергетическая яркость объекта, фоновое излучение, поглощение среды, рабочая полоса частот радиационного термометра и т.д. Настоящее изобретение может исключать системную ошибку, вызываемую посредством трудности коррекции энергетической яркости и различных влияний окружающей среды. Точность радиационного термометра значительно повышается.

Способ, предоставляемый в варианте осуществления настоящего изобретения, поясняется подробно далее со ссылкой на схему обработки данных по фиг.3.

1. Ввод программы обработки данных для PC или MCU посредством устройства ввода программ. Ввод исходных данных и их сохранение в постоянном запоминающем устройстве. PC или MCU, главным образом, используется для того, чтобы вычислять и обрабатывать физическую модель.

2. Данные, которые вводятся посредством клавиатуры или передачи данных в PC или MCU, сохраняются в оперативном запоминающем устройстве (данные теряются во время выключения) или в изменяемом постоянном запоминающем устройстве (данные не теряются во время выключения), главным образом для того, чтобы предоставлять значения параметров, отражающих условия измерения: значения A и B в соответствующей физической модели для системы радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот; значения A, B, C и D или параметры A и B в соответствующей физической модели для системы радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот; значения A и B в соответствующей физической модели для системы радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот.

3. Сигнал излучения объекта, который должен измеряться, принимаемый посредством оптической системы радиационного термометра, усиливается посредством усилителя, и получается электронный сигнал (показано как оптическая система и усилитель на чертеже). Электронный сигнал сохраняется в оперативном запоминающем устройстве. U(T), т.е. значение сигнала излучения, принимаемого посредством радиационного термометра, получается посредством деления значения электрического сигнала на коэффициент усиления усилителя.

Помимо этого, предшествующая система радиационного термометра обычно имеет только три клавиши: Set (Задать), Up (Вверх) и Down (Вниз), которые используются для того, чтобы изменять состояние отображения и задавать значение ε. Вариант осуществления настоящего изобретения добавляет десять цифровых клавиш 0-9 с тем, чтобы вводить значения параметров, отражающих условия измерения. Посредством добавления только десяти цифровых клавиш 0-9 в предшествующей системе радиационного термометра при сохранении набора из трех функциональных клавиш, и , настоящий способ может применяться в различных видах системы радиационного термометра. Как результат, схема системы радиационного термометра больше не предоставляется здесь.

Предпочтительный вариант осуществления

Прототип радиационного термометра, разработанного на основе настоящего способа, протестирован с помощью стандартного черного тела в Tianjin Measurement Institute в следующих условиях измерения: расстояние измерения - 400 мм, температура в помещении - 20ºC, тестовое оборудование - печь стандартного черного тела, и энергетическая яркость полости для излучения черного тела - 0,995. Сравнения между измеренными температурами и температурами стандартного измерительного прибора показаны в следующей таблице результатов тестирования.

Таблица результатов тестирования Стандартная температура, ºC 1055,0 1105,5 1154,9 1205,1 1274,5 Измеренная температура, ºC 1057 1106 1156 1206 1275

Стандартные температуры измеряются посредством стандартной термопары, используемой для того, чтобы измерять температуру центра мишени в печи для излучения черного тела, и фактические температуры измеряются посредством радиационного термометра. Тест доказывает, что способ, предоставляемый в варианте осуществления настоящего изобретения, достигает заметного эффекта: разрешающая способность традиционной системы радиационного термометра может составлять приблизительно 0,1% от показания, в то время как точность может только составлять приблизительно 1% от показания. Тест демонстрирует, что точность системы радиационного термометра, разработанной на основе способа, предоставляемого в варианте осуществления настоящего изобретения, имеет идентичный порядок величины с разрешающей способностью, т.е. точность может достигать приблизительно 0,1% от показания, что является эффективным повышением. Традиционный способ применяет коррекцию энергетической яркости, чтобы обнаруживать фактическую температуру объекта. Теоретическое вычисление, выполняемое экспертом, демонстрирует, что даже энергетическая яркость печи для излучения черного тела составляет 0,99, существует систематическая ошибка в -9,21ºC при 1200ºC. Тем не менее, длина шага при регулировании энергетической яркости предшествующего радиационного термометра составляет 0,01, и ошибка никогда не меньше 0,01. Следовательно, вышеуказанные измеренные результаты зачастую считаются невозможными посредством предшествующих теорий.

Различные предшествующие системы радиационного термометра, к которым применяется способ коррекции энергетической яркости, могут быть модифицированы на основе настоящего способа. Очевидно, любое приспособление способа коррекции на основе квантовой теории, переключающегося со способа коррекции энергетической яркости, должно быть под охраной настоящего изобретения.

Система радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра, представленная на фиг.4, содержит:

модуль 8 измерений, который используется для измерения стандартной температуры Ti посредством стандартной измерительной аппаратуры для измерения температуры; напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения объекта, который должен измеряться, где i=1, 2, 3, 4,..., N (N является положительным целым числом), измеряется посредством системы радиационного термометра в режиме калибровки. Измеренная стандартная температура Ti и напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения вводятся в PC или MCU внутри или снаружи системы радиационного термометра 11 с помощью физической модели для обработки данных.

Физическая модель включает в себя:

U(T)=A(e^B/T-1)^-1 в случае системы радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот. После того, как рабочая полоса частот выбирается надлежащим образом, вышеуказанная модель упрощается как U(T)=A(e^B/T), если рабочая полоса частот является короткой волной; и как U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной. Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и обработки данных с помощью метода наименьших квадратов.

в случае системы радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот, где A(λ)=C₁λ^-5 и B(λ)=-C₂/λ. После того, как рабочая полоса частот выбирается надлежащим образом, модель упрощается как U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT, если рабочая полоса частот является короткой волной; U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной. Параметры A, B, C и D или параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и подгонки с помощью метода наименьших квадратов.

U(T)=AT^B в случае системы радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот. Параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и подгонки с помощью метода наименьших квадратов.

модуль 9 калибровки, используемый для калибровки системы радиационного термометра посредством ввода параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU 5 внутри системы радиационного термометра;

PC или MCU внутри системы 5 радиационного термометра, используемый для калибровки системы радиационного термометра согласно параметрам, отражающим структуру энергетических уровней; и вычисления согласно физической модели, чтобы получать значение температуры объекта, который должен измеряться;

модуль 10 измерения температуры, используемый для задания системы радиационного термометра в режиме измерения температуры и измерения температуры объекта;

оптическую систему 2, инфракрасный детектор 3 и усилительную схему 4, используемые для приема энергии излучения объекта, который должен измеряться;

PC или MCU 11 снаружи или внутри системы радиационного термометра, используемый для обработки обнаруженной стандартной температуры Ti и напряжения Ui(Ti) сигнала теплового излучения согласно физической модели и обнаружения параметров, отражающих структуру энергетических уровней;

дисплей 7, используемый для отображения обнаруженного значения температуры.

При реализации система радиационного термометра допускает определение значения параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, и определение значения температуры объекта, который должен измеряться.

Со ссылкой на фиг.5, модуль 9 калибровки содержит:

первичный субмодуль 91 калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU 5 внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот;

вторичный субмодуль 92 калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A, B, C и D или A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU 5 внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот;

третий субмодуль 93 калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU 5 внутри системы радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот.

Со ссылкой на фиг.6, модуль 9 калибровки также включает в себя:

модуль 94 ввода с клавиатуры или передачи данных, используемый для ввода обнаруженных параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU 5 внутри системы радиационного термометра.

Температура объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления PC или MCU 5 внутри системы радиационного термометра согласно физической модели, в частности,

значение температуры объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления согласно физической модели на основе узкой полосы частот или физической модели на основе широкой полосы частот, или физической модели на основе бесконечной полосы частот.

В ходе реализации стандартная измерительная аппаратура для измерения температуры является стандартным платиновым термометром сопротивления, стандартным термопарным термометром или стандартным ртутным термометром.

Если обобщать, варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют систему радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра. Параметры, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством обработки данных на основе эффективной физической модели с вводом с клавиатуры или передачей данных. Значение температуры объекта, который должен измеряться, в итоге получается и отображается на дисплее. Посредством преодоления такой трудности, что энергетическая яркость ε(λ.T) не может быть точно определена, которая встречается, когда способ "коррекции энергетической яркости" используется для повышения точности измерения температуры, точность радиационного термометра значительно повышается. Теоретически, вариант применения настоящего изобретения может быть использован для того, чтобы разрабатывать радиационный термометр согласно конкретным условиям измерения, при этом конкретные условия содержат различные факторы, влияющие на прием энергии излучения от объекта посредством оптической системы измерительного прибора, такие как энергетическая яркость объекта, фоновое излучение, поглощение среды, рабочая полоса частот радиационного термометра и т.д. Настоящее изобретение позволяет исключать системную ошибку, вызываемую посредством трудности коррекции энергетической яркости и различных влияний окружающей среды, так что точность радиационного термометра значительно повышается.

Специалисты в данной области техники понимают, что прилагаемые чертежи являются только схемами предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения; порядковый номер вышеуказанных вариантов осуществления настоящего изобретения служит только для описания, а не для порядка приоритета.

Выше приведены только предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, описанные в качестве иллюстрации, а не ограничения. Различные модификации, подстановки и усовершенствования, выполняемые без отступления от сущности и формулы изобретения, должны попадать в пределы объема охраны настоящего изобретения.

Элементы, представленные на чертежах

1 - объект, который должен измеряться;

2 - оптическая система;

3 - инфракрасный детектор;

4 - усилительная схема;

5 - PC или MCU;

6 - ввод с клавиатуры или ввод посредством передачи данных;

7 - дисплей;

8 - модуль измерений;

9 - модуль калибровки;

10 - модуль измерения температуры;

11 - внешний или внутренний PC или MCU;

91 - первичный субмодуль калибровки;

92 - вторичный субмодуль калибровки;

93 - третий субмодуль калибровки;

94 - модуль ввода с клавиатуры или передачи данных.

Заявленное изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для коррекции на основе квантовой теории температуры радиационного термометра. Заявленный способ позволяет обнаружить параметры, отражающие структуру энергетических уровней, посредством приспособления эффективной физической модели, чтобы калибровать систему радиационного термометра. Для этого задают систему радиационного термометра в состояние измерения температуры, чтобы измерять температуру объекта, и обнаруживают значение энергии излучения объекта через оптическую систему. Определяют параметры, отображающие структуру энергетических уровней, посредством вычисления и обработки через PC или MCU в системе радиационного термометра согласно физической модели. Используют указанные параметры, отображающие структуру энергетических уровней, для калибровки радиационного термометра. Для реализации указанного способа коррекции температурных данных предложена также система радиационного термометра, содержащая модуль измерения температуры, модуль калибровки, PC или MCU, используемый для калибровки радиационного пирометра согласно параметрам, отображающим структуру энергетических уровней. Технический результат - повышение точности результатов измерений. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра, отличающийся тем, что упомянутый способ содержит следующие операции, на которых:
(1) измеряют стандартную температуру Ti объекта посредством использования стандартной измерительной аппаратуры для измерения температуры; измеряют напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения объекта, где i=1, 2, 3, 4,…, N, где N является положительным целым числом, посредством использования системы радиационного термометра в состоянии калибровки; вводят упомянутую стандартную температуру Ti и упомянутое напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения в PC или MCU с помощью физической модели снаружи или внутри системы радиационного термометра для обработки данных, чтобы обнаружить параметры, отражающие структуру энергетических уровней;
при этом физическая модель включает в себя:
U(T)=A(e^B/T-1)^-1 используется в случае системы радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот; после того, как рабочая полоса частот выбрана надлежащим образом, модель упрощается как U(T)=A(e^B/T), если рабочая полоса частот является короткой волной; и как U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной; параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов;
используется в случае системы радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот, где A(λ)=C₁λ^-5 и B(λ)=-C₂/λ; после того как рабочая полоса частот выбрана надлежащим образом, модель упрощается как U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT, если рабочая полоса частот является короткой волной; и как U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной; параметры A, B, C и D или параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов; и
U(T)=AT^B используется в случае системы радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот; параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов;
(2) вводят полученные параметры, отражающие структуру энергетических уровней, в систему радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра;
(3) задают систему радиационного термометра в состоянии измерения температуры, чтобы измерять температуру объекта, обнаруживают значение энергии излучения объекта через оптическую систему;
(4) обнаруживают значение температуры объекта посредством вычисления и обработки через PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра согласно физической модели;
(5) отображают упомянутое значение температуры на дисплее.

2. Способ коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.1, в котором система радиационного термометра выполнена с возможностью определения значения параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, который должен измеряться, и определения значения температуры объекта.

3. Способ коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.1, в котором полученные параметры, отражающие структуру энергетических уровней, вводятся в систему радиационного термометра, чтобы калибровать радиационный термометр на этапе (2), включающий в себя этапы, на которых:
вводят обнаруженные параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, в систему радиационного термометра, чтобы калибровать радиационный термометр с помощью узкой рабочей полосы частот; вводят обнаруженные параметры A, B, C и D или параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, в систему радиационного термометра, чтобы калибровать радиационный термометр с помощью широкой рабочей полосы частот; вводят обнаруженные параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, в систему радиационного термометра, чтобы калибровать радиационный термометр с помощью бесконечной рабочей полосы частот.

4. Способ коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.1 или 3, в котором обнаруженные параметры, отражающие структуру энергетических уровней, вводятся в систему радиационного термометра посредством ввода с клавиатуры или передачи данных.

5. Способ коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.1, в котором значение температуры объекта, который должен измеряться, получают посредством вычисления PC или MCU в упомянутой системе радиационного термометра согласно физической модели на этапе (4), в частности:
значение температуры объекта, который должен измеряться, получают посредством вычисления PC или MCU в системе радиационного термометра согласно физической модели на основе узкой полосы частот, физической модели на основе широкой полосы частот или физической модели на основе бесконечной полосы частот.

6. Способ коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.1, в котором стандартная измерительная аппаратура для измерения температуры является стандартным платиновым термометром сопротивления, стандартным термопарным термометром или стандартным ртутным термометром.

7. Система радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра, содержащая
модуль измерений, который используется для измерения стандартной температуры Ti посредством стандартной измерительной аппаратуры для измерения температуры; напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения объекта, где i=1, 2, 3, 4,…, N (N является положительным целым числом), измеряется посредством системы радиационного термометра в состоянии калибровки, упомянутая стандартная температура Ti и упомянутое напряжение Ui(Ti) сигнала теплового излучения вводятся в PC или MCU внутри или снаружи системы радиационного термометра с использованием физической модели для обработки данных;
при этом физическая модель включает в себя:
U(T)=A(e^B/T-1)^-1 используется в случае системы радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот; после того, как рабочая полоса частот выбрана надлежащим образом, вышеуказанная модель упрощается как U(T)=A(e^B/T), если рабочая полоса частот является короткой волной; и как U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной, параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и обработки данных с помощью метода наименьших квадратов: и
используется в случае системы радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот, где A(λ)=C₁λ^-5 и B(λ)=-C₂/λ; после того как рабочая полоса частот выбрана надлежащим образом, модель упрощается как U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT, если рабочая полоса частот является короткой волной; и как U(T)=AT+B, если рабочая полоса частот является длинной волной, параметры A, B, C и D или параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и их подгонки с помощью метода наименьших квадратов, и
U(T)=AT^B используется в случае системы радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот; параметры A и B, отражающие структуру энергетических уровней, получаются посредством ввода данных в физическую модель и подгонки с помощью метода наименьших квадратов;
модуль калибровки, используемый для калибровки системы радиационного термометра посредством ввода параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU внутри системы радиационного термометра;
PC или MCU внутри системы радиационного термометра, используемый для калибровки системы радиационного термометра согласно параметрам, отражающим структуру энергетических уровней, и вычисления согласно физической модели, чтобы получать значение температуры объекта, который должен измеряться;
модуль измерения температуры, используемый для задания системы радиационного термометра в состоянии измерения температуры и измерения температуры объекта;
оптическую систему, инфракрасный детектор и усилительную схему, используемые для приема энергии излучения объекта, который должен измеряться;
PC или MCU снаружи или внутри системы радиационного термометра, используемый для обработки обнаруженной стандартной температуры Ti и напряжения Ui(Ti) сигнала теплового излучения согласно физической модели и обнаружения параметров, отражающих структуру энергетических уровней;
дисплей, используемый для отображения обнаруженного значения температуры.

8. Система радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.7, причем упомянутая система радиационного термометра выполнена с возможностью определения значения параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, и определения значения температуры объекта, который должен измеряться.

9. Система радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.7, в которой модуль калибровки содержит:
первичный субмодуль калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в системе радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием узкой рабочей полосы частот;
вторичный субмодуль калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A, B, C и D или параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в системе радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием широкой рабочей полосы частот;
третий субмодуль калибровки, используемый для ввода обнаруженных параметров A и B, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в системе радиационного термометра, чтобы калибровать систему радиационного термометра с использованием бесконечной рабочей полосы частот.

10. Система радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.7 или 9, в которой модуль калибровки также включает в себя:
модуль ввода с клавиатуры или передачи данных, используемый для ввода обнаруженных параметров, отражающих структуру энергетических уровней, в PC или MCU в системе радиационного термометра.

11. Система радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.7, в которой значение температуры объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления PC или MCU в системе радиационного термометра согласно физической модели, в частности:
температура объекта, который должен измеряться, получается посредством вычисления на основе физической модели на основе узкой полосы частот или физической модели на основе широкой полосы частот, или физической модели на основе бесконечной полосы частот.

12. Система радиационного термометра с коррекцией на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра по п.7, в которой стандартная измерительная аппаратура для измерения температуры является стандартным платиновым термометром сопротивления, стандартным термопарным термометром или стандартным ртутным термометром.