专利名称:辐射温度传感器用的硅探测器筛选方法
本发明是一种辐射温度测定技术。辐射温度传感器的输出信号和被测温度之间的关系，即仪表的分度特性，是仪表的最基本的特性，硅探测器是辐射温度传感器中使用最广的探测器之一。传统的用半导体作探测器的辐射温度传感器的分度方法，是将传感器通过黑体炉和标准温度计逐点温度进行比较求得其分度特性的，因此，都没有统一的分度表。非平衡式都分辐射温度传感器分度特性不一致的主要原因是硅光电池探测器在同样光照下的输出信号不一致之故。
英国兰德红外温度计公司(Land Infrared Pyrometers Limited)的Q系列辐射温度传感器具有该公司统一的分度表，其探测器是硅光电池，从1985年引进该项技术的有关资料中了介到，该公司实现辐射温度传感器分度特性一致的方法是在许多年以前购置一块硅晶体，每次制作硅探测器时都从这块硅晶体上取作原料，并固定硅光电池的制作工艺，随着辐射温度传感器产品的不断生产，经大量测量数据的积累，逐步求得辐射温度传感器分度特性曲线和允许误差。因此，虽然兰德公司的方法实现了辐射温度传感器分度特性的一致，但该公司的方法有不足之处，第一，确定分度表的时间长，必须经过很长的时间和大量的测试数据积累才能得到在一定允许误差范围的统一分度表。第二，辐射温度传感器输出特性的一致性误差难以根据需要确定。
机械工业部上海工业自动化仪表研究所于1978年和1979年完成了用硅光电池探测器的辐射温度传感器输出特性的研究。在1978年研究成果中，求得了用硅探测器的辐射温度传感器的理论分度曲线，其传感器的结构方框图一所示，其中〔1〕为物镜、〔2〕为滤光片、〔3〕为硅探测器、〔4〕为等效负载电阻、〔5〕为光阈。辐射温度传感器理论分度曲线的方程为VT2=VT1·exp ［C2λe(T)(1T1-1T2)］]]>(1)式中VT1和VT2]]>分别为被测黑体温为T1和T2时辐射温度传感器的输出信号;λe(T)为辐射温度传感器在测温量程以内的综合有效波长;C2和e均为常数，C2＝0.014388米.K。
由方程(1)可知，当辐射温度传感器的输出信号在测温量程的上限确定以后，由于硅探测器的性能不一致，所引起的输出信号偏离理论曲线的最大值在测温量程的下限。对于这个输出信号的偏离，该研究成果所采取的措施是在测温下限对输出信号进行补偿。在该所1979年的研究成果中，肯定了用硅探测器的辐射温度传感器有可能进行互换的结论。这个结论表明，传感器在接收黑体的辐射以后所产生的输出信号可以在一定程度上和一定的传感器分组组合中进行互换。但该二项成果都未表明辐射温度传感器的输出信号可以在什么基准上和误差范围内进行互换，即没有得出辐射温度传感器的统一分度表及其一致性误差，没有提出硅探测器筛选要求。
本发明的目的是提出对硅探测器进行有效的筛选方法，从而使辐射温度传感器具有统一分度表。
1.首先以国际通用的辐射温度传感器的误差表达形式作为本传感器的一致性误差的表达式△T＝±n%T (2)式中△T为辐射温度传感器的一致性的允许误差;T为被测黑体的温度值，是用开尔文温标来计测的;n%为允许误差的百分数。
2.根据分度方程求得被测黑体为T时辐射温度传感器的一致性误差的表达式为
(△V)/(V) ＝± (C2)/(λe(T)·T) · (△T)/(T) (3)式中V表示被测黑体温度为T时的辐射温度传感器的输出电压值;△V表示被测黑体温度变化△T时的辐射温度传感器的输出电压变化值;C2和λe(T)的含意同(1)式。
3.在确定测温量程上限的辐射温度传感器输出电压值以后，按方程(1)求得在测温量程下限的辐射温度传感器输出值。但上限的输出值不得超过50mv，一般选用20mv或10mv。
4.利用公式(3)，根据辐射温度传感器分度特性一致性的允许误差±n%，求得在测温量程下限辐射温度传感器输出值的允许误差数值，即允许的信号变动范围。
5.确定硅探测器的最大等效负载电阻。为了使硅探测器工作在接受的辐射功率-输出信号曲线的线性区，根据辐射温度传感器的机械和光学结构及测温量程的上限来确定硅探测器的最大负载电阻。测试最大负载电阻的接线图如图二所示。其方法是将装有滤光片〔2〕和硅探测器〔3〕的辐射温度传感器瞄准温度为辐射温度传感器测温上限的黑体炉靶子〔6〕。由零开始逐步强加等效负载电阻〔4〕，此时等效负载电阻〔4〕两端的电压也成比例增加。等效负载电阻〔4〕两端的电压由电位差计〔7〕进行测量。当输出信号出现不与负载电阻成比例增加时，此时的负载电阻即为硅探测器的最大负载电阻。这个电阻值在任何时候都不能超过。为了使同一类型和同一量程的辐射温度传感器都用相同的等效负载电阻，便于仪表的批量生产，同时考虑到各个硅探测器的负载特性的差异，在满足信号水平和环境温度补偿的条件下，这个电阻值应尽量小。
6.筛选硅探测器。筛选硅探测器线路图如图三所示，其中〔8〕为钨带灯的稳流电源，〔9〕为标准电阻、〔10〕为粗测钨带灯电流的电流表、〔11〕为钨带灯、〔12〕为辐射温度传感器、〔13〕为转换开关和等效负载电阻。将待筛选的硅探测器置于装有滤光片的辐射温度传感器〔12〕或其他类似的模拟装置中。使辐射温度传感器瞄准温度为该传感器测温量程上限的钨带灯〔11〕，在等效负载电阻上取分压，使辐射温度传感器的输出等于一个适当的电压值，然后将钨带灯〔11〕的温度降低至辐射温度传感器量程的下限温度，测得该传感器的输出信号。对照本方法第4条确定的允许信号变动范围，该传感器的输出信号在允许变动范围以内者为合格，否则不合格。
筛选硅探测器的另一种方法是用黑体炉靶子〔6〕代替上述方法中的钨带灯〔11〕。这种方法的接线图如图四所示。将两台黑体炉的炉温分别恒定在辐射温度传感器测温量程的上限温度和下限温度，使辐射温度传感器在测温量程上限的输出值等于一个适当的电压值，将其测温量程下限温度的输出值来对照第4条，确定被筛选的硅探测器是否合格。
7.统调，将经筛选合格的硅探测器装入辐射温度传感器，然后使该传感器瞄准温度为其量程中点温度的黑体炉靶子，对照辐射温度传感器的分度表，在等效负载电阻上取分压，使辐射温度传感器的输出等于辐射温度传感器分度表上的规定值，即调试完毕。这样的传感器为符合误差要求的具有统一刻度的非平衡式部分辐射温度传感器。
实施例WFH-60型红外辐射温度传感器分度表的制订是本发明的一个实施例。以700～1100℃量程说明。给定的辐射温度传感器输出特性的一致性的允许误差为0.3%T，在该量程内的辐射温度传感器的综合有效波长λe(T)＝0.978m。取量程上限1100℃时的输出值为20mv，根据方程(3)求得辐射温度传感器在量程下限700℃＝973K的允许输出变动范围 (△V)/(V) ＝± 0.014388/(0.978×10-3×973) ×0.3%＝±0.045，由分度表上查得V＝0.245mv，因此，△V＝±(0.045×0.245mv)＝±0.011mv。将辐射温度传感器瞄准温度为1100℃时的黑体炉靶子。用第5条规定的方法求该量程的最大等效负载电阻，将负载电阻取为300Ω。然后将待选的硅探测器分别装在WFH-60型红外辐射温度传感器的壳体中，按第6条规定的方法进行硅探测器的筛选，剔除不合格的硅探测器。按第7条规定进行统调。至此WFH-60型红外辐射温度传感器便能满足一致性误差的指标要求。
按照本发明筛选出来的硅探测器，可使辐射温度传感器具有统一的分度表，并可控制其一致性误差，这给辐射温度传感器的制造及使用带来明显的效益。
制造方面a.节约时间和能源。用经过筛选合格的硅探测器装成的辐射温度传感器采用一个温度点定标，即可确定整个量程范围的输出特性，比用逐点温度分度标定节省一倍以上的分度时间和能源消耗，仪表的生产量越多，节约的时间和降低的功耗越多。b.可按需要确定一致性指标。c.提高信号处理装置的调试效率。辐射温度传感器有统一的输出特性，可使信号处理装置的参数固定，因而调试率可大大提高。电路可以简化，成本也可降低。
仪表的使用方面a.便于多点温度集中监测。由于辐射温度传感器的输出特性一致，故可用一台计算机对多个测温点的辐射温度传感器进行集中监测，即实现了工艺过程的监测要求，又因公用温度信号处理和显示部分而减少了费用。b.便于修修。现场监测仪表是需要经常维修的，由于辐射温度传感器的输出特性一致，在维修时只需将辐射温度传感器更换即可，不必改动仪表的信号处理装置或计算机的程序，并且可不影响被监测工艺过程的继续进行，提高了生产效率。
权利要求
1.一种使非平衡式部分辐射温度传感器分度特性一致性的方法，其特征是控照对非平衡式部分辐射温度传感器一致性的指标要求，对硅探测器进行预先筛选。在一个温度点上对装有筛选合格的传感器进行统调代替逐点温度比较的方法获得非平衡式部分辐射温度传感器分度特性的一致性。
2.如权利要求
1所述的筛选方法，其特征在于按下列计算作为筛选硅探测器的依据a.以给定的辐射温度传感器输出特性一致性的要求 (△T)/(T) ＝±n%，求得该传感器在被测温度为T时的输出信号的允许变化范围 (△V)/(V) ＝± (C2)/(λe(T)T) n%。b.在辐射温度传感器的测温量程上限的输出信号被确定以后，根据理论分度曲线方程VT2=VT·exp ［C2λe(T)(1T1-1T2)］]]>求得其测温量程下限的输出信号允许变化范围V+△V～V-△V。
3.如权利要求
1或2所述的筛选方法，其特征是筛选硅探测器是由钨带灯的稳流电源〔8〕、标准电阻〔9〕、粗测钨带灯电流的电流表〔10〕、钨带灯〔11〕、辐射温度传感器〔12〕、转换开关和等效负载电阻〔13〕、电位差计〔7〕所组成。
4.如权利要求
1或2所述的筛选方法，其特征在于在以开尔文计的测温量程中点对辐射温度传感器进行统调，同时在等效负载电阻上取其分压，使辐射温度传感器的输出信号等于分度表所规定的数值。
专利摘要
本发明属于一种辐射温度测定技术，是按照非平衡式部分辐射温度传感器一致性的指标进行预先筛选硅光电池探测器，然后在一个温度点统调的方法代替传统的逐点温度比较的方法获得非平衡式部分辐射温度传感器分度特性，并使其分度特性取得一致。既节约了调试时间和能源的消耗，同时降低了成本，也简化了辐射温度传感器的维修工作。
文档编号G01J5/20GK86100837SQ86100837
公开日1987年9月9日 申请日期1986年1月10日
发明者姜世昌, 吴淑嫒 申请人:机械工业部上海工业自动化仪表研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan