СПОСОБ КАЛИБРОВКИ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И КАЛИБРОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2022 года по МПК G01J5/00 G01J5/60 G01K15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу калибровки устройства измерения температуры, выполненного с возможностью измерения температуры поверхности целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и путем применения обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, а также к калибровочному устройству для такого устройства измерения температуры, способу калибровки для устройства измерения физической величины и калибровочному устройству для устройства измерения физической величины.

Уровень техники

Существует широкий спектр технологий измерения температуры целевого объекта. Среди таких технологий технология измерения радиационной температуры - это технология, которая бесконтактно измеряет температуру поверхности целевого объекта с использованием излучаемого света, испускаемого целевым объектом, и эта технология коммерциализирована в виде радиационного термометра. Такой радиационный термометр включает в себя фотоэлектрический преобразователь и оптический фильтр и измеряет температуру поверхности целевого объекта путем измерения энергии излучения целевого объекта в заданном диапазоне длин волн и преобразования измеренной энергии излучения в температуру. Для измерения температуры поверхности целевого объекта с помощью радиационного термометра необходимо, чтобы целевой объект обладал излучательной способностью, поскольку энергия излучения целевого объекта является результатом умножения излучательной способности целевого объекта на энергию излучения, испускаемого идеальным черным телом. Однако излучательная способность целевого объекта варьируется в зависимости от состояния целевого объекта, и ошибка измерения температуры увеличивается по мере того, как излучательная способность целевого объекта изменяется со временем.

На основании этого в патентной литературе 1-3 раскрыты технологии, позволяющие производить высокоточное измерение температуры целевого объекта, на которое не влияют изменения излучательной способности. В частности, в патентной литературе 1 раскрыта технология, которая разлагает информацию дисперсионного спектра на базисные спектры, вычисляет вклады для базисных спектров в качестве коэффициентов и вычисляет температуру поверхности целевого объекта с использованием этих коэффициентов с заранее рассчитанной калибровочной прямой. Кроме того, в патентной литературе 2 раскрыта технология, с помощью которой базисные спектры и калибровочную прямую определяют заранее на основе измерений температуры целевого объекта, измеренной с помощью контактного термометра, а температуру поверхности целевого объекта рассчитывают с использованием вкладов, соответствующих базисным спектрам и калибровочной прямой. Кроме того, в патентной литературе 3 раскрыта технология, которая разлагает информацию дисперсионного спектра на базисные спектры и которая вычисляет значения температуры поверхности целевого объекта с использованием коэффициентов, которые должны быть умножены на базисные спектры.

Список источников

Патентная литература

Патентная литература 1: Японская выложенная заявка на патент № 2013-234984

Патентная литература 2: Японская выложенная заявка на патент № 2013-221788

Патентная литература 3: Японская выложенная заявка на патент № 2014-169935

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача

Однако при использовании технологий, раскрытых в патентной литературе 13, перед измерением температуры поверхности целевого объекта необходимо определить базисные спектры, коэффициенты и калибровочную прямую с использованием некоторой технологии. Следовательно, если существующее устройство измерения температуры надо заменить на новое устройство измерения температуры, необходимо выполнить настройки, такие как определение спектров, измерения значений температуры с помощью контактного термометра и измерения дисперсионных спектров нагретого образца в различных условиях, причем каждое из этих действий может быть источником ошибки. Кроме того, для проведения высокоточных измерений температуры необходимо многократно проводить эксперименты. Поэтому требуется огромное количество сил и времени. Кроме того, в зависимости от целевых объектов, есть некоторые целевые объекты, которые не могут быть подвергнуты таким экспериментам.

Настоящее изобретение выполнено с учетом вышеописанных проблем, и цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ калибровки для устройства измерения температуры, калибровочное устройство для устройства измерения температуры, способ калибровки для устройства измерения физической величины и калибровочное устройство для устройства измерения физической величины такие, чтобы способы калибровки и калибровочное устройство способны были сократить время и усилия, необходимые для настройки при замене устройства.

Решение задачи

Для решения задачи и достижения цели, предложен способ калибровки в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения температуры, причем устройство измерения температуры выполнено с возможностью измерения температуры поверхности целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и с применением обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, причем температуру поверхности измеряют путем вычисления оценки базисного спектра, полученного заранее на основе информации о дисперсионном спектре, полученной от целевого объекта, и с использованием оценки с заранее полученной калибровочной линией, а базисный спектр и калибровочную линию определяют на основе значения измерения температуры, которое является результатом измерения целевого объекта с помощью контактного термометра. Способ калибровки включает в себя следующие этапы: измеряют информацию о дисперсионном спектре энергии излучения из печи типа "абсолютно черное тело" и данных темнового тока с помощью устройства измерения температуры перед заменой и с помощью устройства измерения температуры после замены при каждой из множества различных температур; с использованием измеренной таким образом информации генерируют значение измерения температуры, которое должно быть измерено контактным термометром, включенным в устройство измерения температуры после замены, и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую значению измерения температуры, из значения измерения температуры, измеренного контактным термометром, включенным в устройство измерения температуры перед заменой, и информации дисперсионного спектра, соответствующей измеренному значению температуры; и определяют, используя сгенерированную таким образом информацию, базисный спектр и калибровочную линию для устройства измерения температуры после замены.

Кроме того, в способе калибровки в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения температуры базисный спектр определяют: путем вычисления излучательной способности из отношения информации о дисперсионном спектре целевого объекта к информации о дисперсионном спектре энергии излучения, полученной путем измерения печи типа "абсолютно черное тело" при той же температуре, что и значение измерения температуры, измеряемого контактным термометром, и определяют спектр, перпендикулярно пересекающийся с главной компонентой, полученной в результате выполнения анализа главных компонент для изменения излучательной способности, основанного на излучательной способности в качестве базисного спектра; или применяя регрессию методом частичных наименьших квадратов к информации о дисперсионном спектре целевого объекта и к значению температуры, измеренному контактным термометром.

Более того, предложено калибровочное устройство в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения температуры, причем устройство измерения температуры выполнено с возможностью измерения температуры поверхности целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и с применением обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, причем температуру поверхности измеряют путем вычисления оценки базисного спектра, полученного заранее на основе информации о дисперсионном спектре, полученной от целевого объекта, и с использованием оценки заранее полученной калибровочной линией, и базисный спектр и калибровочную линию определяют на основе значения измерения температуры, которое является результатом измерения целевого объекта с помощью контактного термометра. Калибровочное устройство включает в себя блок, выполненный с возможностью: генерировать значение измерения температуры, которое должно быть измерено контактным термометром, включенным в устройство измерения температуры после замены, и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую значению измерения температуры, из значения измерения температуры, измеренного с помощью контактного термометра, включенного в устройство измерения температуры перед заменой, и информации о дисперсионном спектре, соответствующей значению измерения температуры, с использованием информации о дисперсионном спектре энергии излучения из печи типа "абсолютно черное тело" и данных темнового тока, измеренных с помощью устройства измерения температуры перед заменой и с помощью устройства измерения температуры после замены при каждой из множества различных температур; и определять, используя сгенерированную таким образом информацию, базисный спектр и калибровочную линию для устройства измерения температуры после замены.

Кроме того, в калибровочном устройстве в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения температуры базисный спектр определяют: путем вычисления излучательной способности из отношения информации о дисперсионном спектре целевого объекта к информации о дисперсионном спектре энергии излучения, полученной путем измерения печи типа "абсолютно черное тело" при той же температуре, что и значение измерения температуры, измеряемого контактным термометром, и определяют спектр, перпендикулярно пересекающийся с главной компонентой, полученной в результате выполнения анализа главных компонент для изменения излучательной способности, основанного на излучательной способности в качестве базисного спектра; или применяя регрессию методом частичных наименьших квадратов к информации о дисперсионном спектре целевого объекта и к значению температуры, измеренному контактным термометром.

Более того, предложен способ калибровки в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения физической величины, причем устройство измерения физической величины выполнено с возможностью измерения физической величины целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и с применением обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, причем физическую величину измеряют путем вычисления оценки базисного спектра, полученного заранее на основе информации о дисперсионном спектре, полученной от целевого объекта, и с использованием оценки с заранее полученной калибровочной линией, и базисный спектр и калибровочную линию определяют на основе значения измерения физической величины целевого объекта, которое измерили с помощью другого способа. Способ калибровки включает в себя следующие этапы: измеряют информацию о дисперсионном спектре целевого объекта, выступающего в качестве эталона калибровки, и данные темнового тока с помощью устройства измерения физической величины перед заменой и с помощью устройства измерения физической величины после замены при каждой из множества различных физических величин; генерируют с использованием информации, измеренной таким образом, значение измерения физической величины и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую значению измерения физической величины для устройства измерения физической величины после замены из значения измерения физической величины, измеренного устройством измерения физической величины до замены, и информации о дисперсионном спектре, соответствующей измеренному значению физической величины; и определяют, используя сгенерированную таким образом информацию, базисный спектр и калибровочную линию для устройства измерения физической величины после замены.

Кроме того, в способе калибровки в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения физической величины базисный спектр определяют: путем определения спектра, перпендикулярно пересекающегося с главной компонентой, полученной в результате выполнения анализа главных компонент для информации о дисперсионном спектре целевого объекта, для значения измерения физической величины и для информации о дисперсионном спектре объекта, служащего эталоном калибровки, выступающего в качестве базисного спектра; или применяя регрессию методом частичных наименьших квадратов к информации о дисперсионном спектре целевого объекта и к значению измерения физической величины.

Более того, предложено калибровочное устройство в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения физической величины, причем устройство измерения физической величины выполнено с возможностью измерения физической величины целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и с применением обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, причем физическую величину измеряют путем вычисления оценки базисного спектра, полученного заранее на основе информации о дисперсионном спектре, полученной от целевого объекта, и с использованием оценки с заранее полученной калибровочной линией, и базисный спектр и калибровочную линию определяют на основе значения измерения физической величины целевого объекта, которое измерили с помощью другого способа. Калибровочное устройство включает в себя блок, выполненный с возможностью: измерять информацию о дисперсионном спектре целевого объекта, выступающего в качестве эталона калибровки, и данные темнового тока с помощью устройства измерения физической величины перед заменой и с помощью устройства измерения физической величины после замены при каждой из множества различных физических величин; генерировать с использованием информации, измеренной таким образом, значение измерения физической величины и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую значению измерения физической величины для сменного устройства измерения физической величины после замены из значения измерения физической величины, измеренного устройством измерения физической величины до замены, и информации о дисперсионном спектре, соответствующей измеренному значению физической величины; и определять, используя сгенерированную таким образом информацию, базисный спектр и калибровочную линию для устройства измерения физической величины после замены.

Кроме того, в калибровочном устройстве в соответствии с настоящим изобретением для устройства измерения физической величины базисный спектр определяют: путем определения спектра, перпендикулярно пересекающегося с главной компонентой, полученной в результате выполнения анализа главных компонент для информации о дисперсионном спектре целевого объекта, для значения измерения физической величины и для информации о дисперсионном спектре объекта, служащего эталоном калибровки, выступающего в качестве базисного спектра; или применяя регрессию методом частичных наименьших квадратов к информации о дисперсионном спектре целевого объекта и к значению измерения физической величины.

Полезные эффекты изобретения

С помощью способа калибровки для устройства измерения температуры, калибровочного устройства для устройства измерения температуры, способа калибровки для устройства измерения физической величины и калибровочного устройства для устройства измерения физической величины в соответствии с настоящим изобретением можно сократить время и усилия, необходимые для регулировки при замене устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена диаграмма рассеяния, иллюстрирующая соотношение между плотностью и весом членов группы.

На фиг. 2 приведена схема, иллюстрирующая взаимосвязь между многоточечной информацией по длине волны и первым главным компонентом.

На фиг. 3А схематически показан энергетический спектр излучения абсолютно черного тела, соответствующий семи приращениям температуры.

На фиг. 3B схематически показаны результаты применения логарифмических операций на энергетических спектрах излучения абсолютно черного тела, показанных на фиг. 3А.

На фиг. 4 схематически показана первая главная компонента и вторая главная компонента, полученные путем выполнения метода главных компонент для результатов логарифмических операций на энергии излучения, показанных на фиг. 3B.

На фиг. 5A схематически показаны примерные реконструкции энергетических спектров излучения абсолютно черного тела, восстановленные с использованием первой главной компоненты.

На фиг. 5В схематически показаны примерные реконструкции энергетических спектров излучения абсолютно черного тела, восстановленные с использованием первой главной компоненты и второй главной компоненты.

На фиг. 6 схематически показано соотношение между вектором главной компоненты изменения излучательной способности и вектором главной компоненты энергии излучения.

На фиг. 7 схематически показан один пример изменений излучательной способности.

На фиг. 8 схематически показаны дисперсионные энергетические спектры, полученные от целевого объекта.

На фиг. 9 схематически показано соотношение между счетами первой главной компоненты и значениями температуры целевого объекта, причем счет является результатом выполнения метода главных компонент на энергетических спектрах излучения идеального черного тела.

На фиг. 10A схематически показан результат измерения температуры поверхности целевого объекта на основе соотношения, показанного на фиг. 9.

На фиг. 10В схематически показан результат измерения температуры поверхности целевого объекта с использованием обычной технологии.

На фиг. 11 приведена блок-схема, иллюстрирующая структуру устройства измерения температуры, которое представляет собой один вариант осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 12 схематично показана внутренняя структура FTIR, показанного на фиг. 11.

На фиг. 13 схематически показана конструкция контактного термометра, показанного на фиг. 11.

На фиг. 14 приведена блок-схема, иллюстрирующая последовательность процесса создания уравнения регрессии, который является одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 15 приведена блок-схема, иллюстрирующая последовательность процесса оценки температуры, который является одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 16 приведена схема, поясняющая структуру устройства измерения температуры, которое представляет собой другой вариант осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 17 схематично показана внутренняя структура спектрофотометра, показанного на фиг. 16.

На фиг. 18 приведена блок-схема, иллюстрирующая структуру калибровочного устройства для устройства измерения температуры.

На фиг. 19 схематично показан результат измерения информации о дисперсионном спектре энергии излучения печи типа "абсолютно черное тело" с помощью устройства измерения температуры перед заменой для каждой из нескольких различных температур в диапазоне от 700 до 1100 градусов Цельсия.

На фиг. 20 схематично показаны результаты измерения информации о дисперсионном спектре энергии излучения печи типа "абсолютно черное тело" с помощью устройства измерения температуры после замены для каждой из нескольких различных температур в диапазоне от 700 до 1100 градусов Цельсия.

На фиг. 21 схематично показан один пример взаимосвязи между калибровочной линией для устройства измерения температуры до замены и калибровочной линией для устройства измерения температуры после замены.

На фиг. 22 схематично показан один пример взаимосвязи между базисным спектром для устройства измерения температуры до замены и базисным спектром для устройства измерения температуры после замены.

Описание вариантов осуществления

Теперь со ссылкой на некоторые чертежи будет описан способ калибровки для устройства измерения температуры, который является одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Для начала, сейчас будет объяснена концепция определения температуры поверхности с использованием устройства измерения температуры, к которому применяют способ калибровки для устройства измерения температуры в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Концепция

Если необходимо определить температуру поверхности целевого объекта с использованием энергии излучения целевого объекта, то вычисляют измерение L(λ, T), которое является результатом умножения предположенного спектра ε(λ) излучательной способности на спектр L_B(λ, T) энергии излучения от абсолютно черного тела, как указано в уравнении (1) ниже. Параметр λ в уравнении (1) обозначает длину волны, для которой определяют энергию излучения, а параметр T обозначает температуру поверхности целевого объекта.

(1)

Вычисляя логарифм (натуральный логарифм) каждой стороны уравнения (1) и модифицируя уравнение (1), получают уравнение (2), указанное ниже. Следовательно, оценка logL_B(λ, T), которая является натуральным логарифмом спектра энергии излучения абсолютно черного тела, может быть вычислена путем подстановки измерения L(λ, T) и спектра ε(λ) излучательной способности в правую часть уравнения (2). Причина, по которой используют выражение "оценка", состоит в том, что неизвестно, является ли предположенный спектр ε(λ) излучательной способности правильным. Другими словами, если спектр ε(λ) излучательной способности отклоняется от предположенного спектра, то вычисленный натуральный логарифм logL_B(λ, T) энергетического спектра излучения черного тела не будет правильным значением.

(2)

Первоначально энергетический спектр излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T) выражают с использованием закона излучения Планка, как указано в уравнении (3) ниже. Параметры c₁, c₂ в уравнении (3) являются физическими константами. Следовательно, даже если некоторая ошибка, связанная со спектром ε(λ) излучательной способности, включена в натуральный логарифм logL_B(λ, T) энергетического спектра излучения абсолютно черного тела, этот натуральный логарифм logL_B(λ, T) энергетического спектра излучения абсолютно черного тела по существу может принимать только фиксированный вид. Следовательно, существует вероятность того, что истинная форма натурального логарифма logL_B(λ, T) энергетического спектра излучения абсолютно черного тела может быть оценена независимо от спектра ε(λ) излучательной способности. Следовательно, как один из подходов для сосредоточения внимания на форме натурального логарифма logL_B(λ, T) энергетического спектра излучения абсолютно черного тела, в качестве возможной альтернативы, рассматривают метод главных компонент (разложение по базису).

(3)

Для начала со ссылкой на фиг. 1 будет объяснен общий подход метода главных компонент. На фиг. 1 приведена диаграмма рассеяния, иллюстрирующая соотношение между ростом и весом членов группы. Вообще говоря, поскольку вес X₂ человека, рост X₁ которого больше, становится больше, то диаграмма рассеяния, приведенная на фиг. 1, показывает распределение, восходящее по диагонали вправо. Сегмент L₁, вставленный на фиг. 1 и восходящий по диагонали вправо, представляет собой линию, проходящую через центр распределения, и его можно назвать представлением шкалы "размер тела". Подход метода главных компонент представляет собой подход к статистическому заключению о том, что одномерная шкала "размер тела t₁" является характеристикой сущностной интерпретации комбинированных данных о росте X₁ и весе X₂ (двумерной информации). С математической точки зрения, этот "размер тела" выступает в качестве первой главной компоненты, а вторая главная компонента, которая является второй по важности информацией для первой главной компоненты, будет представлять собой компоненту, перпендикулярно пересекающуюся с первой главной компонентой. В примере, показанном на фиг. 1, можно сказать, что физически шкала "полнота t₂" (сегмент L₂) является второй главной компонентой.

В примере, показанном на фиг. 1, посредством метода главных компонент информацию, которая изначально была двумерной (рост и вес), абстрагируют до одномерной информации, которая является "размером тела". Следовательно, применяя этот вид обработки информации, посредством которой извлекают сущность, к спектральной волновой форме энергии излучения при оценке температуры поверхности, из многоточечной информации по длинам волн может быть извлечена сущность. В этом случае многоточечная информация по длинам волн представляется как одна точка в многомерном пространстве, которое имеет порядок измерения, равный количеству длин волн, на которых собирают измерения, как показано на фиг. 2. Например, можно сказать, что если даны данные дисперсионного спектра на n длинах волн, соответствующих семи температурам, то это означает, что дано семь точек в n-мерном пространстве. Поэтому, учитывая разброс распределения семи точек в n-мерном пространстве, направление, в котором разброс является наибольшим, принимают за направление первой главной компоненты, и эта первая главная компонента будет служить наиболее важной информацией при различении семи точек, то есть при различении семи температур.

На фиг. 4 показаны первая главная компонента и вторая главная компонента, полученные в результате применения метода главных компонент к logL_B(λ, T) (фиг. 3B), что является результатом применения логарифмической операции к энергетическим спектрам излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T), показанным на фиг. 3A, при этом энергетические спектры излучения абсолютно черного тела соответствуют семи температурам (эти энергетические спектры излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T) могут быть получены путем выполнения измерений в печи типа "абсолютно черное тело"). Первая главная компонента, показанная на фиг. 4, является спектральным графиком, наиболее репрезентативным для натурального логарифма logL_B(λ, T) энергетических спектров излучения абсолютно черного тела, соответствующих семи температурам. Причина, по которой к энергетическим спектрам излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T) применяют логарифмическую операцию, состоит в том, чтобы отделить излучательную способность ε(λ), которая влияет на фактические измерения температуры поверхности целевого объекта, путем умножения на энергетический спектр излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T), в виде слагаемого log ε(λ).

Вторая главная компонента - это выделение направления, в котором разброс семи точек является вторым по величине в векторном пространстве, перпендикулярно пересекающего первую главную компоненту, и она показана на фиг. 4. Интуитивно, первая главная компонента, как представляется, является базисом, представляющим среднюю энергию, которая увеличивается с повышением температуры, а вторая главная компонента, по-видимому, является базисом, который представляет подробные формы. Таким же образом можно получить главные компоненты третьего и последующих степеней важности. Эта информация о главных компонентах более низкой важности является существенной спектральной информацией (базисными спектрами) logL_B(λ, T) исходных семи энергетических спектров излучения абсолютно черного тела.

Для подтверждения того, что информация о главных компонентах более низкой важности является существенной спектральной информацией (базисными спектрами) L_B(λ, T) исходных семи энергетических спектров излучения абсолютно черного тела, на фиг. 5A и 5B показано, насколько реконструкции L_B(λ, T) исходных семи энергетических спектров излучения абсолютно черного тела, восстановленных из базисного спектра (спектров), соответствуют исходным. Реконструкции в данном документе означают реконструкции исходных спектров, полученные посредством выполнения операции умножения с суммированием, в которой коэффициенты умножают на базисные векторы, а результаты складывают, то есть в результате выполнения линейной операции. Степень соответствия реконструкций варьируется в зависимости от того, в какой степени информация по базисным векторам, имеющим более низкую важность, была включена в исходные семь энергетических спектров излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T). На фиг. 5A показаны реконструкции, полученные только с использованием первой главной компоненты, а на фиг. 5B показаны реконструкции, полученные с помощью первой и второй главных компонент.

Как видно из фиг. 5B, при использовании первой и второй главных компонент можно видеть, что все семь энергетических спектров излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T) восстановлены очень хорошо. Это означает, что нет необходимости представлять каждый из энергетических спектров излучения абсолютно черного тела L_B(λ, T) как N-точечную информацию по длинам волн, то есть представлять в виде N-мерных координат, а спектр энергии излучения может быть представлен с использованием только двухточечной информации, соответствующей двум коэффициентам, которые являются линейной комбинацией двух базисных векторов. Другими словами, можно сказать, что N-мерные данные сжимают в двумерные данные. На данный момент важно, что, хотя количество измерений сильно сжато, исходные энергетические спектры восстанавливают как "базисные векторы", которые имеют, по сути, спектральную форму. Следовательно, можно предположить, что на эти энергетические спектры с меньшей вероятностью повлияет изменение излучательной способности, которое является помехой.

Теперь будут даны дополнительные пояснения результатов логарифмических операций, показанных на фиг. 3B, с использованием уравнений. Результаты логарифмических операций, показанные на фиг. 3B, являются результатами применения логарифмической операции к значениям энергии излучения в N = 250 точках, измеренных с шагом 0,032 мкм длины волны (горизонтальная ось), например, в диапазоне длин волн от 2 мкм до 10 мкм. x(i, j) обозначает логарифм энергии излучения. Параметр i (от 1 до 250) обозначает номер измеренной длины волны, а параметр j (от 1 до 7) обозначает номер температуры. Здесь также предполагается, что температура, соответствующая параметру j, обозначена через y(j). Кроме того, векторы главных компонент, полученные в результате применения анализа главных компонент к логарифмам x(i, j) энергий излучения, обозначены через w(i, k). Хотя объяснения того, как определяют векторы главных компонент w(i, k), можно найти в общей литературе, посвященной анализу главных компонент, для краткого пояснения первую главную компоненту w(i, 1) определяют таким образом, что разброс параметра j в уравнении (4), указанном ниже, становится максимальным, а вторую главную компоненту w(i, 2) определяют так, что разброс параметра j в уравнении (5), указанном ниже, становится максимальным среди векторов, перпендикулярно пересекающихся с первой главной компонентой w(i, 1).

(4)

(5)

Масштаб каждого из этих векторов главных компонент (квадратный корень из суммы квадратов компонент i = от 1 до N) задан равным 1. В векторе главных компонент w(i, k) возможное значение, которое может принимать параметр i, находится в диапазоне от 1 до 250, и, с точки зрения математики, возможное значение, которое может принимать параметр k, находится в диапазоне от 1 до N. Однако в этом примере будем рассматривать диапазон k = 1, 2. В общем, хотя сущность логарифма x(i, j) энергии излучения лучше представлена, когда параметр k меньше (более низкая важность главной компоненты), в настоящем изобретении выбор диапазона параметра k не ограничен каким-либо конкретным диапазоном. Реконструкция исходных данных об энергии излучения только с использованием первой главной компоненты w(i, 1) выражается через уравнение (6), приведенное ниже.

(6)

Математически параметр a(k, j) в уравнении (6) является константой (скаляром), называемой счетом главной компоненты. На фиг. 5A показан пример реконструкций уравнения (6) до применения логарифмической операции, то есть реконструкций, отображаемых как значения, выраженные уравнением (7), приведенным ниже. "e" в уравнении (7) представляет собой основание натурального логарифма.

(7)

Таким же образом значения, восстанавливающие исходные данные энергии излучения при дополнительном использовании второй главной компоненты w(i, 2), а также первой главной компоненты w(i, 1), выражаются уравнением (8). Аналогично, на фиг. 5B показан пример реконструкций уравнения (8) после применения логарифмической операции. Реконструкция данных энергии излучения с дополнительным использованием второй главной компоненты w(i, 2) почти успешно воспроизводит исходные логарифмические значения x(i, j) энергии излучения. Это означает, что при оценке фактической температуры, даже если вместо логарифмов x(i, j) энергии излучения, включая данные 250 точек, используют счеты a(k, j), которые являются данными, соответствующими всего двум точкам, качество информации не ухудшается.

(8)

Счет a(k, j) получают путем вычисления внутреннего произведения вектора главных компонент w(i, k) и логарифма x(i, j) исходной энергии излучения, и каждый компонент получают посредством уравнения (9), приведенного ниже.

(9)

До сих пор была приведена основная идея выполнения метода главных компонент для данных дисперсионного спектра. Давайте теперь рассмотрим способ применения метода главных компонент для предотвращения влияния излучательной способности целевого объекта на измерение температуры. Измерение L(λ, T) с изменяющейся излучательной способностью может быть описано уравнением (10), приведенным ниже, путем разделения излучательной способности на известную излучательную способность ε(λ) и вариацию излучательной способности δε(λ), которая может изменяться в зависимости от условий эксплуатации и т.п. в соответствии с уравнением (1). На данный момент параметр ε₀(λ) в уравнении (10) обозначает эталонную излучательную способность, такую как заданное значение, а параметр δε(λ) обозначает вариацию излучательной способности в результате воздействия различных условий.

(10)

Вычисляя логарифм (натуральный логарифм) каждой стороны уравнения (10) и модифицируя уравнение (10), получают уравнение (11), указанное ниже. При обычном измерении радиационной температуры температуру поверхности получают путем определения излучательной способности ε₀(λ) на известных длинах волн измерения, решения уравнения с допущением, выраженным уравнением (12) для монохроматического термометра, и с допущением, выраженным уравнением (13) для бихроматического термометра. Однако в температуру часто вносят ошибку, потому что, строго говоря, эти предположения не выполняются.

(11)

(12)

(13)

Предполагая, что поведение излучательной способности целевого объекта известно заранее, первую главную компоненту v(i, 1) вариации излучательной способности вычисляют путем выполнения анализа главных компонент данных о вариации излучательной способности. Первая главная компонента v(i, 1) вариации излучательной способности представляет собой статистическое поведение излучательной способности целевого объекта. Другими словами, можно сказать, что все векторы, перпендикулярно пересекающиеся с вектором главной компоненты изменения излучательной способности, являются векторами, на которые не влияет вариация излучательной способности. На фиг. 6 приведена концептуальная схема вышеприведенного объяснения. Другими словами, как показано на фиг. 6, на вектор V₁ главной компоненты, соответствующий энергии излучения, перпендикулярно пересекающийся с вектором V₂ главной компоненты вариации излучательной способности, не влияет вариация излучательной способности, и, следовательно, он демонстрирует максимальную чувствительность к температуре целевого объекта.

Поэтому, путем выполнения анализа главных компонент для энергии излучения путем наложения ограничения на энергию излучения, заключающееся в том, что она перпендикулярно пересекается с первой главной компонентой v(i, 1) вариации излучательной способности, можно получить важную информацию об энергии излучения, не подвергаясь влиянию вариации излучательной способности. В качестве специальной процедуры первую главную компоненту v(i, 1) вариации излучательной способности заранее исключают из энергии излучения x(i, j), а затем к полученным значениям применяют анализ главных компонент, как указано в уравнении (14) ниже. Таким образом, каждая полученная таким образом главная компонента перпендикулярно пересекается с первой главной компонентой v(i, 1) вариации излучательной способности. Кроме того, во многих случаях, поскольку первая главная компонента v(i, 1) вариации излучательной способности является просто статистическим расчетом, возможно, что фактическая вариация излучательной способности не полностью соответствует первой главной компоненте v(i, 1) вариации излучательной способности и отклоняется от него. Однако, поскольку в такой ситуации также можно считать, что главная компонента, вычисленная с помощью уравнения (14), почти перпендикулярно пересекается с первой главной компонентой v(i, 1) вариации излучательной способности, можно сделать вывод, что достигается условие, при котором вероятность появления ошибки в измерении является наименьшей.

(14)

Теперь будет приведено объяснение примера моделирования измерений температуры, выполняемых на основе концепции, описанной выше, для целевого объекта, в котором излучательная способность изменяется на величины, показанные на фиг. 7. Это пример, в котором уравнение (15), указанное ниже, выполняется, если вариация излучательной способности кратна константе, то есть если параметр K является константой. Поэтому, главная компонента вариации излучательной способности, получаемая в результате применения логарифмической операции, становится так называемой компонентой постоянного тока, то есть все ее компоненты длины волны имеют одинаковое значение. Если излучательная способность изменяется таким образом, то измерение энергии излучения получают как значение, полученное в результате умножения излучательной способности на энергию излучения абсолютно черного тела, как показано на фиг. 5А. На фиг. 8 показаны измерения дисперсионных энергетических спектров, измеренных соответственно значениям излучательной способности для 800 градусов Цельсия. Как может быть ясно из фиг.8, если излучательная способность низкая при 800 градусах Цельсия, то результирующая кривая становится аналогичной той, которую достигают для излучательной способности, предполагаемой для 750 градусов Цельсия, и, поэтому, просто с использованием монохроматического термометра среди традиционных подходов сложно выполнить точное измерение целевого объекта с такой изменяющейся излучательной способностью.

(15)

Для решения этой проблемы к этим кривым применяют логарифмическую операцию, и log ε(λ), который представляет собой предполагаемые данные об излучательной способности, вычитают из результирующих кривых. Результирующие кривые затем представляют с использованием базиса, представляющего вариацию излучательной способности (компонента постоянного тока в этом примере), и главного базиса (первая главная компонента), перпендикулярно пересекающегося с базисом, представляющим вариацию излучательной способности, и представляющим спектр энергии излучения абсолютно черного тела. Обратим внимание на коэффициенты, умноженные на первую главную компоненту. Причина, по которой следует обращать внимание на коэффициенты, заключается в том, что коэффициент, соответствующий первой главной компоненте энергетического спектра излучения абсолютно черного тела, не зависит от вариации излучательной способности, и можно считать, что коэффициент имеет информацию, которая важна для представления кривой энергетического спектра излучения абсолютно черного тела.

Сосредоточившись на коэффициенте первой главной компоненты с удаленной главной компонентой вариации излучательной способности, можно увидеть, что соотношение между коэффициентами (счетами) первой главной компоненты связано с температурами целевого объекта, как показано на фиг. 9, причем коэффициенты являются результатом применения анализа главных компонент энергетических спектров излучения абсолютно черного тела. Следовательно, калибровочная линия, представляющая соотношение между коэффициентами второй главной компоненты и температурами целевого объекта, была рассчитана заранее на основе соотношения, показанного на фиг. 9, а температуры оценивали с использованием коэффициентов первой главной компоненты, рассчитанных из энергетических спектров излучения, измеренных при увеличении и уменьшении излучательной способности. В результате было подтверждено, что даже если излучательная способность увеличивается и уменьшается, как показано на фиг. 7, то ошибки все еще находятся в пределах диапазона, показанного на фиг. 10А. Когда измерения проводили с использованием бихроматического термометра (на длине волны 2 мкм и длине волны 4 мкм, в этом примере), ошибки, вносимые в измерения, оставались небольшими, если выполнялось условие, заключающееся в том, что отношения излучательной способности полностью равны, но ошибки увеличивались, когда отношения излучательной способности не обязательно были равны и варьировались, как показано на фиг. 10B.

Таким образом, было подтверждено, что в качестве исходной информации для оценки температур, причем оценка является целью настоящего изобретения, эффективно использовать информацию, полученную в результате умножения коэффициента базисного вектора (счета главной компоненты), полученного путем выполнения анализа главных компонент для дисперсионной информации, включающей в себя большое количество длин волн, и путем восстановления исходной дисперсионной информации с использованием главных компонент с низкой степенью важности. Другими словами, сравнивая с предыдущим примером, вместо оценки температуры на основе исходных N-точечных данных о длинах волн температуру оценивают путем сжатия размерности N-точечных данных о длинах волн до двухточечных данных, которые представляют собой счеты первой и второй главных компонент, и путем оценки данных о температуре на основе двухточечной информации с использованием обычного метода множественной регрессии. Причина этого заключается в том, что, учитывая, что N-точечные данные о длинах волн могут быть воспроизведены в достаточной степени на основе двухточечной информации, как объяснено со ссылкой на фиг. 5A и 5B, двухточечная информация содержит информацию, достаточную для оценки температуры.

Чтобы дополнить в виде уравнения, температуру оценивают с использованием уравнения (17), указанного ниже, для оценки температуры на основе двухточечных данных, которые представляют собой счеты первой и второй главных компонент, вместо приведенного ниже уравнения (16) для оценки температуры по N-точечным данным о длинах волн.

, - оцененная температура, а - коэффициент множественной регрессии (N коэффициентов) (16)

c(k) - коэффициент множественной регрессии (2 коэффициента) (17)

Теперь будет подробно описано устройство измерения температуры и способ измерения температуры, выполняемый устройством измерения температуры, которые были разработаны на основе описанной выше концепции, то есть один вариант осуществления настоящего изобретения.

Структура устройства измерения температуры

Теперь со ссылкой на фиг. 11-13 будет описана структура устройства измерения температуры, которое является вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 11 приведена блок-схема, иллюстрирующая структуру устройства измерения температуры, которое представляет собой один вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг. 12 схематично показан внутренняя структура FTIR, показанного на фиг. 11. На фиг. 13 схематически показана конструкция контактного термометра, показанного на фиг. 11. Как показано на фиг. 11, это устройство 1 измерения температуры, которое является одним вариантом осуществления настоящего изобретения, включает в себя инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье (FTIR) 2, контактный термометр 30, воздушный цилиндр 40, блок 3 создания уравнения регрессии и блок 4 оценки температуры.

FTIR 2 выполнен с возможностью измерения дисперсионного спектра энергии излучения, испускаемого стальной пластиной 5, которая является целевым объектом. Как показано на фиг. 12, FTIR 2 включает в себя зеркало 11, полупрозрачное зеркало 12, подвижное зеркало 13, зеркало 14, зеркала 15, 16 и детектор 17, и зеркало 11, полупрозрачное зеркало 12, подвижное зеркало 13 и зеркала с 14-16 составляют интерферометр 18. Световое излучение, испускаемое стальной пластиной 5, направляют к интерферометру 18, и детектор 17 определяет количество света, испускаемого интерферометром 18.

В это время информацию о дисперсионном спектре энергии излучения от стального листа 5 получают путем выполнения преобразования Фурье сигналов от детектора 17, при этом сигналы измеряют в хронологическом порядке, в то время как подвижное зеркало 13, включенное в интерферометр 18, перемещается. Хотя требуется время для перемещения подвижного зеркала 13 для получения одного фрагмента информации о дисперсионном спектре, это не проблема, если изменение температуры в течение этого периода времени достаточно мало. В качестве способа измерения дисперсионного спектра существуют различные другие возможные альтернативы, такие как способ с использованием дифракционной решетки и способ с использованием фильтров выбора длины волны, и можно использовать любой из этих способов.

Контактный термометр 30 выполнен с возможностью измерения температуры стальной пластины 5 путем приведения термопары в контакт со стальной пластиной 5, которая является целевым объектом, и выполнения измерения. В ситуациях, когда температуры измеряют в реальном производственном процессе, температуры измеряют для стальной пластины, перемещаемой с заданной скоростью внутри печи, такой как печь для отжига. Следовательно, в этом варианте осуществления контактный термометр, который обычно используют для измерения температуры движущегося тела, используют в качестве контактного термометра 30.

Другими словами, например, как показано на фиг. 13, контактный термометр 30 включает в себя корпус 33, размещенный на стальной пластине 5, перемещаемой с заданной скоростью с использованием контактных роликов 31, которые позволяют корпусу 33 устойчиво перемещаться по стальной пластине 5, и которые также включают в себя металлическую фольгу 35 в виде салазок, прикрепленную к корпусу 33 и выполненную с возможностью скольжения по стальной пластине 5. Термочувствительный блок 371 термопары 37 расположен на задней стороне металлической фольги 35, и этот термочувствительный блок 371 измеряет температуру. В это время корпус 33 расположен таким образом, что он поддерживает термопару 37, а термочувствительный блок 371 удерживают в заданном положении на задней стороне металлической фольги 35 и позволяет измерять температуру с помощью металлической фольги 35. Этот контактный термометр 30 выполнен с возможностью перемещения в направлениях вверх и вниз, указанных стрелкой на фиг. 13, под действием воздушного цилиндра 40, прикрепленного к корпусу 33, и также выполнен с возможностью приведения металлической фольги 35 в контакт со стальной пластиной 5 и ее скольжения по стальной пластине 5 при измерении температуры, и с возможностью удаления со стальной пластины 5 и отвода вверх, если температуру не измеряют. Температуру, указанную контактным термометром 30 (измерение температуры), выводят на блок 3 создания уравнения регрессии в соответствующее время.

Блок 3 создания уравнения регрессии и блок 4 оценки температуры выполнены в виде блока обработки информации, такого как микрокомпьютер. Блок 3 создания уравнения регрессии вычисляет установочные данные (базисные спектры и коэффициенты множественной регрессии), используемые, когда блок 4 оценки температуры оценивает температуру поверхности стальной пластины 5, выполняя процесс создания уравнения регрессии, который будет описан позже. Блок 4 оценки температуры измеряет температуру поверхности стальной пластины 5, выполняя процесс оценки температуры, который будет описан ниже, с использованием установочных данных, вычисленных блоком 3 создания уравнения регрессии.

Устройство 1 измерения температуры, имеющее такую конструкцию, оценивает температуру поверхности стальной пластины 5, выполняя процесс создания уравнения регрессии и процесс оценки температуры, описанные ниже. Теперь со ссылкой на блок-схему, показанную на фиг. 14 и 15, будут описаны операции устройства 1 измерения температуры, выполняющие процесс создания уравнения регрессии и процесс оценки температуры.

Процесс создания уравнения регрессии

Для начала со ссылкой на блок-схему, показанную на фиг. 14, будет описана работа устройства 1 измерения температуры, выполняющего процесс создания уравнения регрессии.

На фиг. 14 приведена блок-схема, иллюстрирующая последовательность процесса создания уравнения регрессии, который является одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок-схема, показанная на фиг. 14, начинается в заранее определенное время в процессе настройки, выполняемом перед измерением температуры поверхности стальной пластины 5, и процесс создания уравнения регрессии переходит к процессу на этапе S1. Перед выполнением процесса создания уравнения регрессии стальную пластину 5, показанную на фиг. 11, заменяют на печь типа "абсолютно черное тело".

В процессе на этапе S1, на основе указанной на входе температуры, соответствующим образом от контактного термометра 30, как описано выше, блок 3 создания уравнения регрессии извлекает базу данных для информации о дисперсионном спектре энергии излучения, соответствующей печи типа "абсолютно черное тело", связанной с температурой, и получает информацию о дисперсионном спектре в виде информации о дисперсионном спектре для создания калибровочной линии. В результате процесс на этапе S1 завершается, и процесс создания уравнения регрессии переходит на этап S2.

Можно ожидать, что в некоторых ситуациях указанная температура, вводимая контактным термометром 30, изменяется в зависимости от того, как металлическую фольгу 35 приводят в контакт со стальной пластиной 5 во время измерения температуры. Следовательно, не ограничиваясь примером, в котором указанный ввод температуры от контактного термометра 30 используют как есть, также можно использовать вторичный расчет, такой как максимальная или средняя температура множества указанных значений температуры, которые измеряют в течение заранее определенного периода времени.

Кроме того, также бывают случаи, в которых трудно измерить информацию о дисперсионном спектре печи типа "абсолютно черное тело" для каждого значения температуры, охватывающих весь диапазон температур, в качестве температуры целевого объекта, например, когда возможен широкий диапазон температур. В таком случае также можно рассчитать счеты, выполнив анализ главных компонент для информации о дисперсионном спектре печи типа "абсолютно черное тело", измеренной для температур в некоторых точках в пределах диапазона температур, и заранее вычислить уравнение связи между счетами и значениями температуры печи типа "абсолютно черное тело". В процессе на этапе S1 счет, соответствующий указанной температуре, может быть затем вычислен на основе вычисленного уравнения связи, и информация о дисперсионном спектре, соответствующая указанной температуре, может быть восстановлена с использованием вычисленных счетов в соответствии с тем же подходом, что и показанный на фиг. 5B, и может быть получена как информация о дисперсионном спектре для создания калибровочной линии.

В процессе на этапе S2 накапливают данные об излучательной способности, заставляя блок 3 создания уравнения регрессии выполнять операцию нормирования информации дисперсионного спектра для создания калибровочной линии, полученной соответствующим образом в результате процесса на этапе S1, и получают информацию о дисперсионном спектре энергии излучения от стальной пластины 5, полученную с помощью FTIR 2, если измеряют указанную температуру, используемую в соответствующей информации о дисперсионном спектре. Затем выполняют логарифмическую операцию на данных вариации излучательной способности, полученных из накопленных данных об излучательной способности. В результате процесс на этапе S2 завершается, и процесс создания уравнения регрессии переходит на этап S3.

В процессе на этапе S3 блок 3 создания уравнения регрессии выполняет анализ главных компонент для данных о вариации излучательной способности, вычисленных в процессе на этапе S2. Если можно предположить, что главная компонента вариации излучательной способности - это так называемая компонента постоянного тока, в которой значения почти всех ее составляющих равны, то можно заранее определить, что главная компонента является компонентой постоянного тока, без использования данных о вариации излучательной способности. Блок 3 создания уравнения регрессии также выполняет анализ главных компонент для энергетического спектра излучения печи типа "абсолютно черное тело", причем энергетический спектр излучения рассчитывают в процессе на этапе S2 таким же образом, при условии, что он перпендикулярно пересекает главную компоненту данных о вариации излучательной способности. В результате процесс на этапе S3 завершается, и процесс создания уравнения регрессии переходит на этап S4.

В процессе на этапе S4 блок 3 создания уравнения регрессии извлекает главные компоненты, которые будут использованы, из результата анализа главных компонент, полученного в процессе на этапе S3, взятых в качестве основы. Блок 3 создания уравнения регрессии также вычисляет счет a(k, j), соответствующий коэффициенту в соответствии с настоящим изобретением для каждого из базисных спектров, используя уравнение (9), уже описанное выше. В результате процесс на этапе S4 завершается, и процесс создания уравнения регрессии переходит на этап S5.

В процессе на этапе S5 блок 3 создания уравнения регрессии вычисляет коэффициенты c(k) множественной регрессии в уравнении (17) множественной регрессии, описанном выше, путем применения счетов a(k, j), вычисленных в процессе на этапе S4, и значений температуры печи типа "абсолютно черное тело", соответствующих информации о дисперсионном спектре, для создания калибровочной линии в соответствии с уравнением (17), описанным выше. Затем блок 3 создания уравнения регрессии выводит данные базисных спектров (главные компоненты w(i, k), k = 1, 2) и коэффициенты множественной регрессии (c(k), k = 1, 2) в блок оценки температуры 4, в качестве установочных данных. В результате процесс на этапе S5 завершается, и последовательность процесса создания уравнения регрессии заканчивается.

В примере, описанном выше, базис, на который не влияет вариация излучательной способности, извлекают путем получения главной компоненты вариации излучательной способности и получения главной компоненты энергии излучения, причем последняя главная компонента представляет собой компоненту, перпендикулярно пересекающуюся с главной компонентой вариации излучательной способности, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, также можно получить базис, демонстрирующий наиболее сильную корреляцию с температурой, указанной контактным термометром 30, с использованием регрессии методом частичных наименьших квадратов (PLS), например, на основе информации о дисперсионном спектре, полученной от стальной пластины, подверженной воздействию вариации излучательной способности, а также использовать различные методы математико-статистического анализа для извлечения базиса.

Процесс оценки температуры

Теперь со ссылкой на блок-схему, показанную на фиг. 15, будет описана работа устройства 1 измерения температуры, выполняющего процесс оценки температуры.

На фиг. 15 приведена блок-схема, иллюстрирующая последовательность процесса оценки температуры, который является одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок-схема, показанная на фиг. 15, начинается в заранее определенное время после завершения процесса создания уравнения регрессии, и процесс оценки температуры переходит на этап S11.

В процессе на этапе S11 блок 4 оценки температуры получает информацию о дисперсионном спектре энергии излучения стальной пластины 5 с использованием FTIR 2. В результате процесс на этапе S11 завершается, и процесс оценки температуры переходит на этап S12.

В процессе на этапе S12 блок 4 оценки температуры выполняет логарифмическую операцию для информации о дисперсионном спектре, полученной в процессе на этапе S11, и вычитает логарифм спектра ε(λ) излучательной способности, полученного из результата логарифмической операции в соответствии с уравнением (2), описанным выше. В результате процесс на этапе S12 завершается, и процесс оценки температуры переходит на этап S13.

В процессе на этапе S13 блок 4 оценки температуры вычисляет счеты базисных спектров a(k, j) целевого объекта, подставляя результат x(i, j) процесса вычитания на этапе S12, и базисные спектры (главные компоненты w(i, k), k = 1, 2), вводимые из блока 3 создания уравнения регрессии, в уравнение (9), описанное выше. В результате процесс на этапе S13 завершается, и процесс оценки температуры переходит на этап S14.

В процессе на этапе S14 блок 4 оценки температуры выполняет операцию регрессии, применяя оценки a(k, j), вычисленные в процессе на этапе S13, и коэффициенты множественной регрессии (c(k), k = 1, 2), вводимые из блока 3 создания уравнения регрессии в уравнение (17), описанное выше, для оценки температуры поверхности стальной пластины 5. В результате процесс на этапе S14 завершается, и последовательность процесса оценки температуры заканчивается.

Как может быть ясно из приведенного выше объяснения, в устройстве 1 измерения температуры, которое является одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, блок 3 создания уравнения регрессии раскладывает информацию о дисперсионном спектре на базисные спектры для создания калибровочной линии, вычисляет счеты a(k, j) для базисов и вычисляет коэффициенты (c(k), k = 1, 2) множественной регрессии на основе счетов a(k, j) и данных о температуре, соответствующих информации о дисперсионном спектре, для создания калибровочной линии. На основе информации о дисперсионном спектре целевого объекта и базисов, рассчитанных блоком 3 создания уравнения регрессии, блок 4 оценки температуры вычисляет счеты a(k, j), относящиеся к базисам, и оценивает температуру целевого объекта на основе рассчитанных счетов a(k, j) и коэффициентов (c(k), k = 1, 2) множественной регрессии. Таким образом, может быть с высокой точностью измерена температура целевого объекта без влияния вариации излучательной способности.

Конструкция устройства измерения температуры для реализации настоящего изобретения не ограничена конструкцией, показанной на фиг. 11. На фиг. 16 схематически показана структура устройства 1а измерения температуры, которое является другим вариантом осуществления настоящего изобретения, и печи отжига, к которой применяют это устройство 1а измерения температуры, при этом ее часть показана вырезанной, чтобы было видно ее внутреннюю часть. На фиг. 17 схематично показана внутренняя структура спектрофотометра 8, показанного на фиг. 16. На фиг. 16, элементы, которые идентичны элементам в соответствии с описанным выше вариантом осуществления, имеют такие же ссылочные позиции.

Это устройство 1а измерения температуры выполнено с возможностью измерения температуры стальной пластины 5а, нагреваемой внутри печи, такой как печь для отжига, во время производственного процесса, и включает в себя оптическое волокно 6, вставленное в сквозное отверстие 93, проходящее через корпус 9 печи для отжига, и теплоизолятор 91, выполненный на внутренней поверхности корпуса 9 печи, коллиматорную линзу 7, установленную на одном конце оптического волокна 6, расположенном на внутренней стороне печи, спектрофотометр 8, подключенный к другому концу оптического волокна 6 на внешней стороне печи, блок 3 создания уравнения регрессии и блок 4 оценки температуры. Лучи света (измеряемый свет), испускаемые почти параллельно стальной пластиной 5а, которая является целевым объектом, проходят через коллиматорную линзу 7 и оптическое волокно 6 и попадают на спектрофотометр 8.

Один конец оптического волокна 6, вставленный в сквозное отверстие 93, и коллиматорная линза 7, установленная на одном конце, отделены от окружающей среды светозащитной трубкой 95 с водяным охлаждением, так что свет, излучаемый от теплоизолятора 91, не смешивается с измеряемым светом. Внутреннее пространство светозащитной трубки 95 с водяным охлаждением, продувают азотом, подаваемым в него через трубу 97, так что предотвращается загрязнение таких деталей, как линзы.

Спектрофотометр 8 выполнен, например, в виде спектрофотометра Черни-Тернера и включает в себя коллиматорное зеркало 81, дифракционную решетку 82, фокусирующее зеркало 83 и детектор 84. В этом спектрофотометре 8 измеряемый свет, падающий с другого конца оптического волокна 6, собирают в параллельный свет с помощью коллиматорного зеркала 81, и он падает на дифракционную решетку 82 и рассеивается. Все длины волн измеряемого рассеянного света принимают детектором 84 с помощью фокусирующего зеркала 83. В этом примере, устанавливая стальную пластину 5а внутри печи в качестве целевого объекта, необходимо измерять сравнительно высокие температуры от 800 до 1100 градусов Цельсия. Следовательно, в качестве детектирующего элемента детектора 84 используют одномерную матрицу Si CCD или матрицу фотодиодов, например, для детектирования сравнительно короткого диапазона длин волн, в частности диапазона длин волн от 0,4 мкм до 0,8 мкм или от 0,4 мкм до 1,0 мкм.

Способ калибровки

Здесь предполагается, что множество измерений температуры, измеренных с помощью контактного термометра 30, и соответствующая им информация о дисперсионном спектре сохранена для существующего устройства измерения температуры (в дальнейшем именуемого устройством A), и на основе сохраненной информации создано уравнение множественной регрессии. Потому что для того, чтобы получить измерения температуры и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую измерениям температуры, на производственной линии необходимо выбрать соответствующий материал и подходящие сроки, а также выполнить проверки на предмет царапин и т.п., образованных в результате приведения в контакт с материалом контактного термометра 30, требуется чрезвычайно большое количество усилий и времени. Фактически, для получения информации для тридцати или около того случаев требуется время, эквивалентное нескольким месяцам или около того. Если устройство A должно быть заменено по какой-либо причине, например, из-за неисправности или калибровки, то из-за того, что для нового устройства измерения температуры (далее именуемого устройством B) необходимо выполнить такой же процесс, перед заменой устройства требуется приложить огромное количество усилий и времени для настройки. Чтобы решить эту проблему, в этом варианте осуществления время и усилия, необходимые для настройки при замене устройства, сокращают путем подключения калибровочного устройства 50 к устройству A, B (устройству 1 измерения температуры), как показано на фиг. 18, и выполняют калибровку, описанную ниже.

В частности, для начала калибровочное устройство 50 измеряет информацию о дисперсионном спектре энергии излучения из печи типа "абсолютно черное тело" и данные темнового тока в устройстве A и устройстве B при каждой из множества различных температур. На фиг. 19 схематично показаны результаты измерения информации о дисперсионном спектре энергии излучения печи типа "абсолютно черное тело" в устройстве А для нескольких различных температур в диапазоне от 700 до 1100 градусов Цельсия. На фиг. 20 схематично показаны результаты измерения информации о дисперсионном спектре энергии излучения печи типа "абсолютно черное тело" в устройстве B для нескольких различных температур в диапазоне от 700 до 1100 градусов Цельсия. Выполняя следующий процесс для измерений температуры, полученных с помощью контактного термометра 30 в устройстве A, и для информации о дисперсионном спектре, соответствующей этим измерениям температуры, с использованием измеренной информации о дисперсионном спектре энергии излучения от печи типа "абсолютно черное тело" и данных о темновом токе, калибровочное устройство 50 создает измерения температуры, полученные с использованием контактного термометра, входящего в состав устройства B, и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую измерениям температуры. Наконец, калибровочное устройство 50 вычисляет калибровочную линию и базисные спектры для устройства B, выполняя процесс создания уравнения регрессии, описанный выше, используя измерения температуры, полученные с помощью контактного термометра в устройстве B, и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую измерениям температуры. На фиг. 21 схематично показан один пример соотношения между калибровочной линией L₁ для устройства A и калибровочной линией L₂ для устройства B. На фиг. 22 схематично показан один пример соотношения между базисным спектром L₃ для устройства A и базисным спектром L₃ для устройства B.

Для создания измерений температуры с использованием контактного термометра в устройстве B и информации о дисперсионном спектре, соответствующей измерениям температуры, для начала, калибровочное устройство 50 вычисляет спектр энергии излучения, испускаемого из печи типа "абсолютно черное тело" в устройстве B, причем спектр представляет собой спектр измерений температуры, полученных с помощью контактного термометра 30. Затем, калибровочное устройство 50 вычитает темновой ток устройства B из спектра энергии излучения, испускаемого из печи типа "абсолютно черное тело", причем спектр является спектром измерений температуры, полученных с помощью контактного термометра 30 в устройстве B, вычитает темновой ток устройства A из спектра энергии излучения печи типа "абсолютно черное тело" устройства A, причем спектр представляет собой спектр измерений температуры, полученных с помощью контактного термометра 30, и вычисляет значение, полученное в результате деления результата первого вычитания на результат последнего вычитания, в качестве поправочного коэффициента чувствительности. Затем, калибровочное устройство 50 вычитает данные темнового тока из дисперсионного спектра, измеренного для измерений температуры с использованием контактного термометра 30 в устройстве A, и умножает поправочный коэффициент чувствительности на результирующий дисперсионный спектр. Наконец, калибровочное устройство 50 добавляет данные темнового тока устройства B к результирующему дисперсионному спектру. Таким образом, можно создать измерения температуры с помощью контактного термометра и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую измерениям температуры для устройства B.

Выше были описаны некоторые варианты осуществления, к которым применяют изобретение, сделанное авторами настоящего изобретения, но описание и чертежи, составляющие часть раскрытия настоящего изобретения в качестве варианта осуществления, не предназначены для какого-либо ограничения настоящего изобретения. Например, хотя этот вариант осуществления представляет собой приложение настоящего изобретения к калибровке устройства измерения температуры, применимый объем настоящего изобретения не ограничен этим вариантом осуществления, и настоящее изобретение может быть применено к калибровке устройства для измерения физической величины, отличной от температуры, например, устройства для измерения толщины тонкой пленки, такой как оксидная пленка или пленка химического конверсионного покрытия, образованная на поверхности металлического материала. Применяя настоящее изобретение к калибровке устройства для измерения физической величины, отличной от температуры, можно сократить время и усилия, необходимые для настройки при замене устройства. Как описано выше, любые другие варианты осуществления, примеры, способы работы и тому подобное, полученные специалистами в данной области техники, например, на основе этого варианта осуществления, входят в объем настоящего изобретения.

Промышленная применимость

В соответствии с настоящим изобретением можно предложить способ калибровки для устройства измерения температуры, калибровочное устройство для устройства измерения температуры, способ калибровки для устройства измерения физической величины и калибровочное устройство для устройства измерения физической величины, причем способы калибровки и калибровочное устройство способны сократить время и усилия, необходимые для настройки при замене устройства.

Список ссылочных позиций

1, 1a устройство измерения температуры

2 инфракрасная спектроскопия на основе преобразования Фурье (FTIR)

3 блок создания уравнения регрессии

4 блок оценки температуры

5, 5a стальная пластина

6 оптоволокно

7 коллиматорная линза

8 спектрофотометр

11, 14, 15, 16 зеркало

12 полупрозрачное зеркало

13 подвижное зеркало

17 детектор

18 интерферометр

30 контактный термометр

35 металлическая фольга

37 термопара

40 воздушный цилиндр

50 калибровочное устройство

81 коллиматорное зеркало

82 дифракционная решетка

83 фокусирующее зеркало

84 детектор.

Настоящее изобретение относится к способу калибровки устройства измерения температуры, выполненного с возможностью измерения температуры поверхности целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и путем применения обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, а также к калибровочному устройству для такого устройства измерения температуры. Способ калибровки устройства измерения температуры в соответствии с настоящим изобретением включает в себя следующие этапы: измеряют информацию о дисперсионном спектре энергии излучения из печи типа "абсолютно черное тело" и данных темнового тока с помощью устройства измерения температуры перед заменой и с помощью устройства измерения температуры после замены, при каждой из множества различных температур; с использованием измеренной таким образом информации генерируют значение измерения температуры, которое должно быть измерено контактным термометром, включенным в устройство измерения температуры после замены, и информацию о дисперсионном спектре, соответствующую значению измерения температуры, из значения измерения температуры, измеренного контактным термометром, включенным в устройство измерения температуры перед заменой, и информации дисперсионного спектра, соответствующей измеренному значению температуры; и определяют, используя сгенерированную таким образом информацию, базисный спектр и калибровочную линию для устройства измерения температуры после замены. Технический результат – повышение эффективности процесса калибровки с одновременным упрощением процесса калибровки и сокращением времени на его осуществление. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ калибровки устройства измерения температуры, причем устройство измерения температуры выполнено с возможностью измерения температуры поверхности целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и с применением обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, при этом температуру поверхности определяют путем вычисления счета базисного спектра, полученного заранее на основе информации о дисперсионном спектре, полученной от целевого объекта, и с использованием указанного счета с заранее полученной калибровочной линией, и указанные базисный спектр и калибровочную линию определяют на основе значения измерения температуры, которое является результатом измерения целевого объекта с помощью контактного термометра, при этом способ калибровки содержит этапы, на которых:

при каждой из множества различных температур измеряют информацию о дисперсионном спектре энергии излучения из печи типа "абсолютно черное тело" и данных темнового тока с помощью первого устройства измерения температуры и с помощью второго устройства измерения температуры, которым должно заменяться первое устройство измерения температуры;

с использованием измеренной таким образом информации генерируют второе значение измерения температуры, которое должно быть измерено вторым контактным термометром, включенным в указанное второе устройство измерения температуры, и генерируют вторую информацию о дисперсионном спектре, соответствующую второму значению измерения температуры, из первого значения измерения температуры, измеренного первым контактным термометром, включенным в указанное первое устройство измерения температуры, и первой информации о дисперсионном спектре, соответствующей указанному первому измеренному значению температуры; и

определяют, используя сгенерированную таким образом информацию, базисный спектр и калибровочную линию для указанного второго устройства измерения температуры.

2. Способ калибровки устройства измерения температуры по п. 1, в котором базисный спектр определяют:

путем вычисления излучательной способности из соотношения информации о дисперсионном спектре целевого объекта по отношению к информации о дисперсионном спектре энергии излучения, полученной путем измерения печи типа "абсолютно черное тело" при той же температуре, что и второе значение измерения температуры, измеренное вторым контактным термометром, и определяют спектр, перпендикулярно пересекающийся с главной компонентой, полученной в результате выполнения метода главных компонент для изменения излучательной способности, основанного на излучательной способности, в качестве базисного спектра; или

применяя регрессию частичных наименьших квадратов к информации о дисперсионном спектре целевого объекта и ко второму значению температуры, измеренному вторым контактным термометром.

3. Калибровочное устройство для устройства измерения температуры, причем устройство измерения температуры выполнено с возможностью измерения температуры поверхности целевого объекта путем измерения энергии излучения, испускаемого целевым объектом, с использованием спектроскопии и путем применения обработки сигналов к полученной таким образом информации о дисперсионном спектре, причем температура поверхности измеряется путем вычисления счета базисного спектра, полученного заранее на основе информации о дисперсионном спектре, полученной от целевого объекта, и с использованием указанного счета с заранее полученной калибровочной линией, а базисный спектр и калибровочная линия определяются на основе значения измерения температуры, которое является результатом измерения целевого объекта с помощью контактного термометра, при этом калибровочное устройство содержит блок, выполненный с возможностью:

генерировать второе значение измерения температуры, которое должно быть измерено вторым контактным термометром, включенным во второе устройство измерения температуры, которым должно заменяться первое устройство измерения температуры, и вторую информацию о дисперсионном спектре, соответствующую второму значению измерения температуры, исходя из первого значения измерения температуры, измеренного с помощью первого контактного термометра, включенного в первое устройство измерения температуры, и первой информации о дисперсионном спектре, соответствующей первому значению измерения температуры, с использованием информации о дисперсионном спектре энергии излучения из печи типа "абсолютно черное тело" и данных темнового тока, измеренных с помощью первого устройства измерения температуры и с помощью второго устройства измерения температуры, при каждой из множества различных температур; и

определять, используя сгенерированную таким образом информацию, базисный спектр и калибровочную линию для второго устройства измерения температуры.

4. Калибровочное устройство для устройства измерения температуры по п. 3, которое выполнено с возможностью определения базисного спектра

путем вычисления излучательной способности из соотношения информации о дисперсионном спектре целевого объекта по отношению к информации о дисперсионном спектре энергии излучения, полученной путем измерения печи типа "абсолютно черное тело" при той же температуре, что и второе значение измерения температуры, измеряемое вторым контактным термометром, и определения спектра, перпендикулярно пересекающегося с главной компонентой, полученной в результате выполнения метода главных компонент на изменении излучательной способности, который основан на излучательной способности, в качестве базисного спектра; или

путем применения регрессии частичных наименьших квадратов к информации о дисперсионном спектре целевого объекта и ко второму значению температуры, измеренному вторым контактным термометром.