對比較式地校準溫度傳感器的裝置的校準容積的溫度進行調(diào)節(jié)的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于將用于比較式地校準/標定溫度傳感器的校準裝置的校準 容積的溫度調(diào)節(jié)到理論溫度的方法，其中，所述校準裝置具有熱源和/或冷卻源，所述熱源 和/或冷卻源通過一個導(dǎo)熱部件或多個導(dǎo)熱部件與校準容積熱接觸，本發(fā)明還涉及一種用 于將用于比較式地校準溫度傳感器的校準裝置的校準容積的溫度調(diào)節(jié)到理論溫度的設(shè)備， 其中，該設(shè)備至少包括電子的數(shù)據(jù)處理單元，該數(shù)據(jù)處理單元可以通過接口接收至少一個 位于校準裝置中的溫度傳感器的測量數(shù)據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)和研究中使用的絕大多數(shù)溫度傳感器是二次溫度計。即，相應(yīng)的傳感器、例 如電阻溫度計或熱電偶必須至少在其第一次使用之前和大多也在其使用過程中被重復(fù)校 準。為此在比較方法中將待校準的熱敏傳感器或開關(guān)在溫度穩(wěn)定的爐或槽中與標準溫度計 相比較。已知將相應(yīng)的校準容積調(diào)溫到可預(yù)先給定的恒定的理論溫度上的設(shè)備。這些所謂 的溫度校準器不僅可以設(shè)計成沉重的固定不動的設(shè)備，而且可以如在文獻US 3939687A中 所述那樣設(shè)計成緊湊的便攜式的/可攜帶的校準器。
[0003] 為了保證試件最佳地熱耦合在校準容積或檢驗容積上，可以將作為固體的、適配 于待檢驗的傳感器的不同嵌套或試件接納部加入到溫度校準器的校準容積中。為了校準具 有復(fù)雜幾何形狀的傳感器，可以用液態(tài)、氣態(tài)或顆粒狀的校準介質(zhì)填充校準容積。為了在校 準容積內(nèi)部達到盡可能恒定的空間溫度分布，添加物或者校準介質(zhì)要具有盡可能高的導(dǎo)熱 能力。為了保證盡可能恒定的在時間上的溫度過程、即高度的溫度穩(wěn)定性，添加物或校準介 質(zhì)要具有盡可能大的熱容量。
[0004] 因為要將校準容積調(diào)溫到由使用者預(yù)先給定的理論溫度上，所以可以通過包圍所 述容積的導(dǎo)熱體從校準容積提取熱量或者將熱量添加入校準容積。這個導(dǎo)熱體在固定不動 的校準器中一般設(shè)計成槽，而在便攜式的校準器中一般設(shè)計成金屬塊，并且與冷卻源（例 如在DE 20 2005 006 710 Ul中所述的作為冷卻元件運行的帕爾貼元件或者較冷的環(huán)境空 氣）和熱源（例如電阻加熱器或者較熱的環(huán)境空氣）處于熱接觸。
[0005] 由此產(chǎn)生的問題是，必須以怎樣的強度或功率運行可調(diào)整的冷卻元件和加熱元件 (可調(diào)參量或者說調(diào)節(jié)量），以使校準器容積的溫度（被控量）盡可能快速地達到所期望的 溫度值（理論值），并且使這個溫度在例如環(huán)境溫度（干擾量）隨時間變化時也保持盡可能 穩(wěn)定。根據(jù)在校準容積中或者在導(dǎo)熱部件中測得的溫度（測量量）對可調(diào)參量或者說調(diào)節(jié) 量進行調(diào)整的控制技術(shù)上的問題通過本發(fā)明來解決。
[0006] 已知的用于調(diào)節(jié)加熱和冷卻路段的方法是使用一個或多個相連接的PID調(diào)節(jié)器， 如在文獻DE 2 023 130 B中所述的那樣。在使用PID調(diào)節(jié)器時的一般缺陷是，至少為了達 到最優(yōu)的調(diào)節(jié)性能、即校準器容積溫度的高度穩(wěn)定性，需要非常精細地調(diào)整或復(fù)雜地確定 調(diào)節(jié)參數(shù)。在溫度校準器的調(diào)節(jié)中，難以根據(jù)環(huán)境條件例如環(huán)境溫度、空氣濕度或電網(wǎng)電壓 實現(xiàn)最優(yōu)的調(diào)節(jié)參數(shù)。但是，在溫度校準器的調(diào)節(jié)中主要困難是調(diào)節(jié)路段的大的慣性，該調(diào) 節(jié)路段從熱源或冷卻源通過導(dǎo)熱部件一直延伸到校準容積。因此，由于導(dǎo)熱部件（它可以 構(gòu)造成金屬塊）和校準容積（它可以構(gòu)造成金屬嵌套）的大的熱容量，在加熱功率以低于 0.1 Hz的頻率相對較慢地變化時便已觀察到校準容積溫度相對于加熱功率的幾乎3 JT的相 位延遲。因此利用一個或多個PID調(diào)節(jié)器不能或者只有在費事地確定合適的調(diào)節(jié)參數(shù)之后 才能實現(xiàn)對于環(huán)境條件變化在約10秒內(nèi)作出反應(yīng)的穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。其結(jié)果是，通過目前在 商業(yè)上可獲得的溫度校準器可達到的、對于500°C以上的理論溫度的、在時間上的溫度穩(wěn)定 性約為±30mK，并因此比對于高精度的溫度校準所需的±5mK的穩(wěn)定性幾乎差了一個數(shù)量 級。
[0007] 在文獻WO 2013/113683 A2中描述的將一個或多個固定點電池集成到溫度校準器 的塊體中，是一種不僅達到高度的溫度均勻性、而且達到時間上的溫度穩(wěn)定性的可能方案。 該技術(shù)方案的缺陷是，僅對于所使用的固定點電池的一個相變溫度給出固定點電池的溫度 在相變的時間段上的恒定不變。同時，固定點電池的成本是昂貴的，因此用于在不同的分別 通過相應(yīng)的固定點電池穩(wěn)定的溫度點上進行校準的裝置是非常高成本的。
[0008] 在文獻KR 100991021 Bl中描述的動態(tài)的校準方法在無需費事地調(diào)節(jié)溫度的情況 下工作。取而代之，使校準容積中的溫度在待觀察的校準溫度附近有意地斜坡式地降低或 提高，并且對所得到的在標準溫度計與試件之間的溫度偏差通過時間偏移計算來補償。這 個校準的缺陷是，由補償所得到的在校準時的附加的測量不可靠性位于±20mK至±40mK 的數(shù)量級，并因此明顯大于所致力的±5mK。該動態(tài)校準方法的另一缺陷在于，不是在溫度 點上而是在溫度區(qū)間內(nèi)執(zhí)行校準，該區(qū)間的范圍不能忽略并且該區(qū)間相對于所觀察的校準 點的位置不確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 按照本發(fā)明，為了將校準容積的溫度調(diào)節(jié)到理論溫度，使用按照權(quán)利要求1的基 于模型的調(diào)節(jié)方法。為此所需的調(diào)節(jié)路段動態(tài)模型在此優(yōu)選包括可調(diào)參量或者說調(diào)節(jié)量 (例如可調(diào)整的冷卻元件和加熱元件的強度或功率）、干擾量（例如電網(wǎng)電壓的變化或環(huán)境 溫度）和被控量（例如校準容積內(nèi)部的溫度或者其時間上的變化）。
[0010] 所述模型可作為計算細則（Vorschrift)在校準器內(nèi)部或外部的電子數(shù)據(jù)處理單 元上、例如微處理器上執(zhí)行。通過由此形成的模型可以根據(jù)干擾量和可調(diào)參量或者說調(diào)節(jié) 量的可能的值來計算被控量的未來值。
[0011] 所述模型例如可以以一個或多個傳遞函數(shù)的形式出現(xiàn)。在此有利的是，能夠容易 地測量所屬的傳遞函數(shù)，這是因為在溫度校準器中的重要的位置上已經(jīng)一體形成有溫度測 量部位或者在那里設(shè)有相應(yīng)的傳感器接納部。
[0012] 另選地，所述模型也可以以狀態(tài)空間圖存在。由此，所屬的模型方程例如可以由已 知的傳熱方程導(dǎo)出。因為傳熱方程對于真實溫度校準器的幾何形狀的解通常只能數(shù)字地實 現(xiàn)并且是非常費事的，因此有利地由傳熱方程只推導(dǎo)模型方程的結(jié)構(gòu)，而通過測量傳遞函 數(shù)來確定模型的自由參數(shù)。
[0013] 在對狀態(tài)動態(tài)進行時間連續(xù)的模型化的情況下，所述模型優(yōu)選表達為線性微分方 程系統(tǒng)
[0014]
[0015] 其中，表示校準器和環(huán)境的熱力學狀態(tài)矢量，Μ(?)表示可調(diào)參量或者說調(diào) 節(jié)量的矢量。狀態(tài)矢量元優(yōu)選由校準容積中各位置上的溫度、校準器的導(dǎo)熱部件中各位置 上的溫度、環(huán)境中或校準器殼體內(nèi)的溫度和在溫度傳感器的溫度顯示中的系統(tǒng)差異形成。 此外所述狀態(tài)矢量也可以包括溫度的時間變化或熱流。可調(diào)參量或者說調(diào)節(jié)量的矢量元優(yōu) 選由加熱部件和冷卻部件的激活水平或功率形成。矩陣A和B的值例如可以通過測量所屬 的傳遞函數(shù)來求得。
[0016] 在對狀態(tài)動態(tài)進行時間離散的模型化的情況下，對于具有合適的時間增量Θ的 時刻
[0017] tn=tnl+0，
[0018] 所述模型對于狀態(tài)= 優(yōu)選表達為線性微分方程
[0019]
[0020] 在此，矩陣F和G的系數(shù)優(yōu)選在執(zhí)行計算細則之前利用所述微分方程系統(tǒng)的數(shù)字 或解析的積分來計算，并接著在微處理器或者另一緊湊的電子數(shù)據(jù)處理單元上執(zhí)行。所得 到的具有時間恒定的矩陣或者說具有時間恒定的系數(shù)的矩陣的線性微分方程的形式的計 算細則可以由此快速地執(zhí)行，由此所述模型也可以用于以小于IOOms的時間增量快速調(diào)節(jié) 溫度校準器。
[0021] 在一優(yōu)選的實施例中，根據(jù)校準容積