CN105094168A

CN105094168A - 对比较式地校准温度传感器的装置的校准容积的温度进行调节的方法和设备

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Publication number: CN105094168A
Application number: CN201510266320.6A
Authority: CN
Inventors: R·弗里德里希斯
Original assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Current assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: EP2947439B1; US9970829B2; EP2947439A1; CN105094168B; DE102014007786A1; ES2642120T3; DK2947439T3; US20150338289A1

Abstract

本发明涉及一种用于将用于比较式地校准温度传感器的校准装置的校准容积的温度调节到理论位置的方法，其中所述校准装置具有热源和/或冷却源，热源和/或冷却源通过一个导热部件或多个导热部件与校准容积热接触，其中，在至少一个方法步骤中在使用卡尔曼滤波器的条件下估计真实的热力学状态，其中，将至少一个位于所述校准装置中的温度传感器的测量值输入卡尔曼滤波器，在至少一个另外的方法步骤中在使用状态动态的热力学模型的条件下计算未来的热力学状态。

Description

对比较式地校准温度传感器的装置的校准容积的温度进行调节的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于将用于比较式地校准/标定温度传感器的校准装置的校准容积的温度调节到理论温度的方法，其中，所述校准装置具有热源和/或冷却源，所述热源和/或冷却源通过一个导热部件或多个导热部件与校准容积热接触，本发明还涉及一种用于将用于比较式地校准温度传感器的校准装置的校准容积的温度调节到理论温度的设备，其中，该设备至少包括电子的数据处理单元，该数据处理单元可以通过接口接收至少一个位于校准装置中的温度传感器的测量数据。

背景技术

在工业和研究中使用的绝大多数温度传感器是二次温度计。即，相应的传感器、例如电阻温度计或热电偶必须至少在其第一次使用之前和大多也在其使用过程中被重复校准。为此在比较方法中将待校准的热敏传感器或开关在温度稳定的炉或槽中与标准温度计相比较。已知将相应的校准容积调温到可预先给定的恒定的理论温度上的设备。这些所谓的温度校准器不仅可以设计成沉重的固定不动的设备，而且可以如在文献US3939687A中所述那样设计成紧凑的便携式的/可携带的校准器。

为了保证试件最佳地热耦合在校准容积或检验容积上，可以将作为固体的、适配于待检验的传感器的不同嵌套或试件接纳部加入到温度校准器的校准容积中。为了校准具有复杂几何形状的传感器，可以用液态、气态或颗粒状的校准介质填充校准容积。为了在校准容积内部达到尽可能恒定的空间温度分布，添加物或者校准介质要具有尽可能高的导热能力。为了保证尽可能恒定的在时间上的温度过程、即高度的温度稳定性，添加物或校准介质要具有尽可能大的热容量。

因为要将校准容积调温到由使用者预先给定的理论温度上，所以可以通过包围所述容积的导热体从校准容积提取热量或者将热量添加入校准容积。这个导热体在固定不动的校准器中一般设计成槽，而在便携式的校准器中一般设计成金属块，并且与冷却源(例如在DE202005006710U1中所述的作为冷却元件运行的帕尔贴元件或者较冷的环境空气)和热源(例如电阻加热器或者较热的环境空气)处于热接触。

由此产生的问题是，必须以怎样的强度或功率运行可调整的冷却元件和加热元件(可调参量或者说调节量)，以使校准器容积的温度(被控量)尽可能快速地达到所期望的温度值(理论值)，并且使这个温度在例如环境温度(干扰量)随时间变化时也保持尽可能稳定。根据在校准容积中或者在导热部件中测得的温度(测量量)对可调参量或者说调节量进行调整的控制技术上的问题通过本发明来解决。

已知的用于调节加热和冷却路段的方法是使用一个或多个相连接的PID调节器，如在文献DE2023130B中所述的那样。在使用PID调节器时的一般缺陷是，至少为了达到最优的调节性能、即校准器容积温度的高度稳定性，需要非常精细地调整或复杂地确定调节参数。在温度校准器的调节中，难以根据环境条件例如环境温度、空气湿度或电网电压实现最优的调节参数。但是，在温度校准器的调节中主要困难是调节路段的大的惯性，该调节路段从热源或冷却源通过导热部件一直延伸到校准容积。因此，由于导热部件(它可以构造成金属块)和校准容积(它可以构造成金属嵌套)的大的热容量，在加热功率以低于0.1Hz的频率相对较慢地变化时便已观察到校准容积温度相对于加热功率的几乎3π的相位延迟。因此利用一个或多个PID调节器不能或者只有在费事地确定合适的调节参数之后才能实现对于环境条件变化在约10秒内作出反应的稳定的调节。其结果是，通过目前在商业上可获得的温度校准器可达到的、对于500℃以上的理论温度的、在时间上的温度稳定性约为±30mK，并因此比对于高精度的温度校准所需的±5mK的稳定性几乎差了一个数量级。

在文献WO2013/113683A2中描述的将一个或多个固定点电池集成到温度校准器的块体中，是一种不仅达到高度的温度均匀性、而且达到时间上的温度稳定性的可能方案。该技术方案的缺陷是，仅对于所使用的固定点电池的一个相变温度给出固定点电池的温度在相变的时间段上的恒定不变。同时，固定点电池的成本是昂贵的，因此用于在不同的分别通过相应的固定点电池稳定的温度点上进行校准的装置是非常高成本的。

在文献KR100991021B1中描述的动态的校准方法在无需费事地调节温度的情况下工作。取而代之，使校准容积中的温度在待观察的校准温度附近有意地斜坡式地降低或提高，并且对所得到的在标准温度计与试件之间的温度偏差通过时间偏移计算来补偿。这个校准的缺陷是，由补偿所得到的在校准时的附加的测量不可靠性位于±20mK至±40mK的数量级，并因此明显大于所致力的±5mK。该动态校准方法的另一缺陷在于，不是在温度点上而是在温度区间内执行校准，该区间的范围不能忽略并且该区间相对于所观察的校准点的位置不确定。

发明内容

按照本发明，为了将校准容积的温度调节到理论温度，使用按照权利要求1的基于模型的调节方法。为此所需的调节路段动态模型在此优选包括可调参量或者说调节量(例如可调整的冷却元件和加热元件的强度或功率)、干扰量(例如电网电压的变化或环境温度)和被控量(例如校准容积内部的温度或者其时间上的变化)。

所述模型可作为计算细则(Vorschrift)在校准器内部或外部的电子数据处理单元上、例如微处理器上执行。通过由此形成的模型可以根据干扰量和可调参量或者说调节量的可能的值来计算被控量的未来值。

所述模型例如可以以一个或多个传递函数的形式出现。在此有利的是，能够容易地测量所属的传递函数，这是因为在温度校准器中的重要的位置上已经一体形成有温度测量部位或者在那里设有相应的传感器接纳部。

另选地，所述模型也可以以状态空间图存在。由此，所属的模型方程例如可以由已知的传热方程导出。因为传热方程对于真实温度校准器的几何形状的解通常只能数字地实现并且是非常费事的，因此有利地由传热方程只推导模型方程的结构，而通过测量传递函数来确定模型的自由参数。

在对状态动态进行时间连续的模型化的情况下，所述模型优选表达为线性微分方程系统

其中，表示校准器和环境的热力学状态矢量，表示可调参量或者说调节量的矢量。状态矢量元优选由校准容积中各位置上的温度、校准器的导热部件中各位置上的温度、环境中或校准器壳体内的温度和在温度传感器的温度显示中的系统差异形成。此外所述状态矢量也可以包括温度的时间变化或热流。可调参量或者说调节量的矢量元优选由加热部件和冷却部件的激活水平或功率形成。矩阵A和B的值例如可以通过测量所属的传递函数来求得。

在对状态动态进行时间离散的模型化的情况下，对于具有合适的时间增量θ的时刻

t_n＝t_n-1+θ,

所述模型对于状态优选表达为线性微分方程

在此，矩阵F和G的系数优选在执行计算细则之前利用所述微分方程系统的数字或解析的积分来计算，并接着在微处理器或者另一紧凑的电子数据处理单元上执行。所得到的具有时间恒定的矩阵或者说具有时间恒定的系数的矩阵的线性微分方程的形式的计算细则可以由此快速地执行，由此所述模型也可以用于以小于100ms的时间增量快速调节温度校准器。

在一优选的实施例中，根据校准容积的温度来计算矩阵F(T)和G(T)的系数，并且在将校准容积调节到理论温度T_Soll期间为了模型化状态动态而使用具有时间恒定的系数的矩阵F(T_Soll)和G(T_Soll)。由此充分考虑由导热能力和热容量的温度依赖性引起的状态动态的非线性性，而不提高模型的复杂性，这是因为所属的计算细则还是具有时间恒定的系数的线性的微分方程。

此外，将所述模型表达为用于状态的线性微分方程还具有的优点是，该公式与离散的卡尔曼滤波器的预测方程一致，该卡尔曼滤波器优选用于估计状态在此，卡尔曼滤波器的计算结果称为估计，因为它不仅包含状态的实际值，而且包含其所属的估计不可靠性。在温度传感器用于温度校准的情况下，所计算出的估计不可靠性通常位于仅几毫开尔文(mK)的范围内，因此在本发明的应用范围中卡尔曼滤波器的估计结果具有足够的用于调节校准容积温度的精度。通过使用卡尔曼滤波器测量在另一容易接触的位置上的温度来间接地确定在一例如难以接触到的炉内位置上的温度是一种已知的方法，并且已经由Mouzinho等描述(L.F.Mouzinho,J.V.FonsecaNeto,B.A.Luciano和R.C.S.Freire，“INDIRECTMEASUREMENTOFTHETEMPERATUREVIAKALMANFILTER”,XVIIIIMEKOWorldCongress，MetrologyforaSustainableDevelopment,17.-22.September2006，RiodeJaneiro，Brazil)。

已经证实，为了达到高的调节品质，状态矢量必须包含多个在校准器的导热部件中的高达20个不同位置上的温度，该校准器例如由便携式的干式块体校准器的金属块形成。但是在多个位置上测量温度在技术上可能是相应成本昂贵的。出于这个原因，优选只在导热部件中的一个或两个部位上利用一个或两个集成的内部基准传感器来测量温度，并由此利用卡尔曼滤波器计算其余包含在状态矢量中的温度。附加地可以通过使用位于校准容积中的温度传感器的温度测量值来改进对温度状态的估计。为此除了内部基准传感器的测量值以外，优选也将一个或多个外部基准传感器的测量值输入卡尔曼滤波器。

此外已经证实，使用由Mouzinho等描述的卡尔曼滤波器来估计在导热部件中和校准容积中的各位置上的温度会导致可能位于几十mK数量级的误差。这种偏差尽管对于工业领域中的通常的间接的温度测量可以忽略，但是在调节用于高精度的温度传感器的校准装置时是不可接受的。一旦多于一个温度传感器的测量值被输入卡尔曼滤波器并且基于下述事实，即：两个传感器由于测量不可靠性在其标定过程中在所显示的测量值中具有小的但是最终的且尤其是不同的系统偏差，就会产生所述偏差。为了调节温度校准器，所述偏差本身在使用高精度的可反馈的基准传感器时不能忽略。

按照本发明的一有利扩展结构，在利用卡尔曼滤波器估计状态时由下述方式考虑这些偏差，即：在校准器中选择一温度传感器并且将其余传感器的温度显示相对于这个基准传感器的系统偏差作为待估计的时间恒定的温差添加到状态矢量。其结果是，通过卡尔曼滤波器估计出的在校准容积中和导热部件中的温度值尽管总还具有基于国际温标的系统误差，但是这个偏差对于所有温度值或者说在所有位置上都是相同的。这个特性对于温度调节具有核心意义，这是因为温度值中的不同系统误差将导致系统错误的热流量预测并由此也导致系统错误的温度估计。

作为基准传感器优选选择这样的传感器，该传感器的测量值具有与国际温标最小的系统测量偏差，从而所有由卡尔曼滤波器计算出的温度值都具有这个系统误差。

在用于快速校准温度传感器的一实施例中，试件的温度测量值也输入卡尔曼滤波器，并且这些测量值与基准传感器的各个系统偏差作为待估计的温度偏差添加到状态矢量。试件测量值与标准样件的测量值的系统偏差正好是要通过校准过程确定的温度偏差。这个令人感兴趣的温度偏差一般费事地通过在达到稳定的温度水平以后在理论温度环境中对试件与标准样件在通常30分钟的时间段上的温度测量曲线进行比较而获得。按照权利要求7的本发明扩展结构，由卡尔曼滤波器计算出的温度偏差作为状态矢量元随时在校准过程期间供使用，并且可以直接读出或显示。试件与标准样件之间的温度偏差的显示值一般在达到理论温度以后几分钟便已足够稳定，因此相当于试件相对于标准样件的温度显示偏差，如果在较长的时间段上比较温度测量曲线则得到该温度显示偏差。

由利用卡尔曼滤波器估计出的校准器状态和环境状态的特性曲线，可以通过状态动态的模型计算出，在未来必须如何调整/设定可调参量或者说调节量，以使被控量的未来特性尽可能接近所致力的被控量特性。可调参量或者说调节量的这个最佳设定然后导致被控量的最佳特性。

如果例如致力于，使校准容积在下一个100秒中加热到正好50℃的理论温度，则可以利用所述线性微分方程形式的时间连续的模型计算出：如果加热功率在这个时刻为0的话，出现多大温度T0，而如果加热功率在这个时刻为1kW的话，出现多大温度T1000。因此在所观察的100秒中的最优加热功率基于微分方程的线性为(50℃-T0)/(T1000-T0)*1kW。这个方法的缺陷是，只要可以调整相应的功率，那么尽管正好在100秒以后达到所期望的50℃，但是不仅之前而且之后可能产生明显的与理论温度的偏差，例如以过调的形式。

因此优选地，代替唯一的时刻，以在长度τ的时间段上被控量与理论值的最小均方偏差来表明所致力的特性。为了快速且以足够的优化结果解决所产生的二次方优化问题，优选使用线性微分方程形式的时间离散的状态动态模型来计算所产生的被控量，并且使可调参量或者说调节量的各个可调整的值的量减小到大于1的小的最终的数目。由此在优化时要观察的可调参量或者说调节量的时间序列的量和由此分别得到的且利用模型要计算的均方调节偏差的量也最终减小到小的数目。

已经证实，为了避免在校准容积的温度特性中的过调，在其上观察被控量变化的时间水平轴τ优选长于10秒。

在时间水平轴仅15秒并且仅一个可调参量(该可调参量只能取值0或1并且其调整仅能变化总共0.5秒)的情况下，在这个时间水平轴内可得到2^30个且由此多于10亿个可能的可调参量时间序列。因此优选进一步减小被控量与理论值的要计算的平均偏差的数目，其方式为：在优化时不是观察可调参量的所有可能的时间变化，而是仅观察合适地选出的子量。由此得到的可调参量的伪最优设定是可调参量的这样的时间序列，其产生的均方调节偏差不大于任何由被观察的子量的其它设定得到的均方调节偏差。

作为子量，优选选择所述设定的下述量，其很小地偏离已经在之前的优化步骤中计算出的最优或伪最优的时间序列。

基于模型的对校准容积温度的调节优选包括下面四个步骤，这四个步骤以给定的顺序周期性重复地执行，其中，所属的周期时间优选小于一秒。在第一步骤中测量实际热力学状态参量的子量。在第二步骤中以在第一步骤中测得的值、对状态参量总体的之前的估计、可调参量或者说调节量的之前的值为基础，优选利用离散卡尔曼滤波器估计实际状态参量总体。在第三步骤中优选利用时间离散的状态动态热力学模型来计算可调参量或者说调节量的最优或伪最优的值，对于这些值，被控量的未来特性尽可能或者足够地接近所致力的被控量特性。在第四步骤中对于实际的时刻设定可调参量或者说调节量的最佳值。

按照本发明的基于模型的调节特别有利的是，由此能够对于500℃以上的理论温度达到时间上的温度稳定性，该温度稳定性以约±3mK比对于这个温度范围目前所达到的稳定性好上一个数量级。由此也能够在高达700℃的高温范围内执行高精度的温度校准。

对校准容积温度的基于模型的前瞻性的调节的另一优点在于，通过计算在多个未来时刻上的调节偏差避免在被控量中的过调。由此更快速地达到校准容积温度的时间稳定性。

附图说明

由下面结合附图的实施例描述给出其它优点、特征和细节。在附图中：

图1示出便携式的具有金属导热部件(2)和校准容积(3)的金属块校准器的热力学模型，其中，热源(1)位于模型的九个单元(11,12，…，19)的第一单元中，内部基准传感器(6)位于模型的第五单元中，外部基准传感器(7)位于模型的第九单元中；

图2示出具有内部传递函数的振幅曲线(61)和相位曲线(66)的伯德图，该内部传递函数由适配于振幅测量值(60)和相位测量值(65)的热力学模型得到；

图3示出具有外部传递函数的振幅曲线(71)和相位曲线(76)的伯德图，该外部传递函数由适配于振幅测量值(70)和相位测量值(75)的热力学模型得到；

图4示出利用外部基准传感器(7)测得的温度值(77)，所述温度值在将金属块校准器的校准容积(3)的温度调节到600℃的理论温度时在使用适配的热力学模型的条件下得到。

附图标记列表：

1热源

2导热部件

3校准容积

4试件的接纳孔

5冷却源

6内部的基准传感器

7外部的基准传感器

11模型的第一单元

12模型的第二单元

13模型的第三单元

14模型的第四单元

15模型的第五单元

16模型的第六单元

17模型的第七单元

18模型的第八单元

19.模型的第九单元

60用于内部传递函数的振幅测量值

61内部传递函数的振幅曲线

65用于内部传递函数的相位测量值

66内部传递函数的相位曲线

70用于外部传递函数的振幅测量值

71外部传递函数的振幅曲线

75用于外部传递函数的相位测量值

76外部传递函数的相位曲线

77外部基准传感器所显示的温度值

具体实施方式

在图1中示出便携式的金属块校准器的热力学模型，下面以其为基础实施将金属块校准器的校准容积3的温度调节到理论温度。不同的适配于待检验的温度传感器的金属嵌套可被加入到校准容积3中，该金属嵌套具有用于试件的接纳孔4。利用外部的基准传感器7测量校准容积3的温度。提供内部基准传感器6的显示作为关于在设计成金属块的导热部件2中的温度分布的唯一信息。为了将校准容积3的温度调节到所期望的理论值，可以使设计成加热元件的、具有控制电路的热源1激活或去活。导热部件2的外侧执行冷却源5的功能。为了模型化热力学状态的动态，将金属块校准器的横截面假想地分成相同大小的三角形单元，并且通过热力学网格的各个单元的温度来代表在导热部件2中和校准容积3中的温度分布。由于被设计成加热元件的热源1的对称布置，如果在下面考虑，热能只能从网格流到冷却源5中，则仅所示的三角形面积被模型化成具有九个单元(11,12，…，19)的热力学网格就足够了。仅通过在第一单元11中的热源1给具有九个单元(11,12，…，19)的热力学网格输入热量。

温度在一个单元中的时间变化然后通过公式

m_{i} k \frac{d T_{i}}{dt} = Q_{i}

给出。在此，m_i是单元的质量，k是所使用的金属的比热容，Q_i是进入单元中的热流量。这个热流量由与相邻单元的温度差和所属的热传递系数α_ij以及接触面积L_ij按照公式

Q_i＝α_ijL_ij(T_j-T_i)+α_ilL_il(T_l-T_i)+α_inL_in(T_n-T_i)

给出。因此对于九个温度相对于环境温度的状态矢量得到一线性微分方程系统

该线性微分方程系统具有可调参量u(t)和矩阵B，该矩阵含有形式为

[p0000000]＇

的自由参数p，这是因为热能只加入到第一单元11中。据假定，在设计成金属块的导热部件2的所有单元之间的热传递系数是彼此相同的和/或在以金属嵌套充填的校准容积3的所有单元之间的热传递系数是彼此相同的。但是，所述热传递系数不仅可以不同于从导热部件2中的单元向冷却源5的热传递系数，而且也可以不同于从导热部件2中的单元向校准容积3中的单元的热传递系数。如果此外基于几何的模型不清晰度允许，校准容积3中的单元的质量是金属块校准器的导热部件2中的单元的质量的d倍，则对于矩阵A得到如下具有四个自由参数a，b，c和d的结构：

[\begin{matrix} - a - b & b & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ b & - a - b - b \sqrt{2} & b \sqrt{2} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & b \sqrt{2} & b (- 2 - \sqrt{2}) & b & 0 & b & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & b & - 2 b & b & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & b & - 2 b - c & b & 0 & c & 0 \\ 0 & 0 & b & 0 & b & b (- 2 - \sqrt{2}) & b \sqrt{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & b \sqrt{2} & - a - b \sqrt{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{c}{d} & 0 & 0 & \frac{- c - b}{d} & \frac{b}{d} \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{b}{d} & \frac{- b}{d} \end{matrix}] .

为了确定热力学模型的总共5个自由参数p，a，b，c和d，对于所选择的频率不仅测量内部传递函数、即从热源1到内部基准传感器6的温度的传递的振幅值60和相位值65，而且测量外部传递函数、即从内部基准传感器6到外部基准传感器7的温度的传递的振幅值70和相位值75。接着，计算由线性微分方程系统对于不同的自由模型参数值给出的传递函数，并且与测量数据相比较。在600℃的校准容积温度下，对于p＝0.11K/s，a＝0.00441/s，b＝0.111/s，c＝0.0711/s和d＝2.1，不仅对于在图2中所示的具有振幅曲线61和相位曲线66的内部传递函数的伯德图，而且对于在图3中所示的具有振幅曲线71和相位曲线76的外部传递函数的伯德图，都得到与测量值的良好一致性。

为了将由此作为具有已知的恒定系数或已知的恒定矩阵A和B的线性微分方程系统出现的热力学模型变换成适用于应用在离散卡尔曼滤波器中，在这个实施例中对于时间离散的模型化选择100ms的时间增量θ。由在图2中示出的、内部传递函数的伯德图中的振幅曲线61可以判断出，由于导热部件2的大的热惯性，利用热源1的通/断调节在所属的10Hz的节拍率/时钟频率1/θ下可以在内部基准传感器周围达到明显好于1μK的温度调节分辨率。

在该实施例中，为了估计热力学状态，向离散的卡尔曼滤波器以同样也为10Hz的更新率输入不仅内部基准传感器6而且外部基准传感器7的温度测量值。在此，两个基准传感器的2σ信号噪声约为4mK。

待估计的热力学状态的序列

除了热力学网格的九个单元在时刻t_n＝t_n-1+100ms的温度之外，还包括与时间有关的环境温度T_ij(t_n)和与时间无关的在内部基准传感器6与外部基准传感器7的温度测量值之间的系统偏差T_Offset。由此对于各状态给出线性随机的微分方程

x_n＝F·x_n-1+G·u_n-1+w_n-1，

其中，具有时间恒定的系数的矩阵F和G通过对具有已确定的时间恒定矩阵A和B的线性微分方程系统在θ＝100ms的时间段上以u(t)＝0(热源接通)或u(t)＝1(热源断开)进行积分而给出。随机变量w_n是系统噪声并且被假定为具有平均值零和协方差矩阵Q的正态分布。两个基准器的温度显示Θ_In(t_n)和Θ_Ex(t_n)由测量公式

z_{n} = (\begin{matrix} Θ_{In} (t_{n}) \\ Θ_{Ex} (t_{n}) \end{matrix}) = H \cdot x_{n} + v_{n}

给出，其中测量矩阵

H = [\begin{matrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{matrix}] .

随机变量v_n是测量噪声，并且被假定为具有平均值零和协方差矩阵R的正态分布。

在这个实施例中所使用的离散卡尔曼滤波器的核心部分和重要优点是，除了对状态的估计以外还总是计算形式为估计误差协方差矩阵P_n的估计不可靠性。在对于时刻t_n的预测步骤中，不仅对状态的估计而且所属的协方差矩阵首先仅在使用时刻t_n-1的估计结果的条件下按照卡尔曼滤波器的以具有时间恒定系数的线性微分方程出现的第一模型公式

{\hat{x}}_{n}^{-} = F \cdot {\hat{x}}_{n - 1} + G \cdot u_{n - 1}

和卡尔曼滤波器的第二模型公式

P_{n}^{-} = F \cdot P_{n - 1} \cdot F^{'} + Q

来确定。在卡尔曼滤波器的下面的子步骤中，该预测在考虑在时刻t_n测得的温度(Θ_In，Θ_Ex)′＝z_n的条件下按照修正公式

{\hat{x}}_{n} = {\hat{x}}_{n}^{-} + K_{n} (z_{n} - H {\hat{x}}_{n}^{-})

和

P_{n} = (I - K_{n} \cdot H) \cdot P_{n}^{-}

来修正。在此所谓的卡尔曼增益通过

K_{n} = P_{n}^{-} \cdot H^{'} \cdot {(H \cdot P_{n}^{-} \cdot H^{'} + R)}^{- 1}

给出。

当在前面的方法步骤中对实际的热力学状态x_n进行估计之后，可以在再一次使用卡尔曼滤波器的以具有时间恒定系数的线性微分方程出现的第一模型公式的条件下，在时间水平轴τ＝30s上对于可调参量u(t)的未来值(0/1)的每个位序列(u_n，u_n+1，…，u_n+N)估计：外部基准器7的温度显示的哪个时间序列由热源的对应加热功率剖面引起。为了实现快速且同时稳定的调节，现在调整位序列，由该位序列导致如下的时间序列，即：在该时间序列中在时间水平轴τ内在外部基准器的温度与理论温度之间的均方偏差尽可能的小。

为了在所选择的100ms的时间增量θ内得到伪最优位序列形式的足够的二次方优化结果，将在前面的调节周期中作为伪最优(结果)计算出的位序列作为优化的启动序列来使用，并且通过随机的颠倒这个启动序列的各个位而生成另外的位序列，由此产生所有可能的可调参量设定的合适的子量，然后针对该子量执行状态动态的预测和二次方优化。

通过这种方式，为在本实施例中考察的金属块校准器导出的、形式为具有时间恒定的系数的线性微分方程的、时间离散的热力学模型，不仅在用于估计热力学状态的方法步骤中使用，而且在用于确定可调参量的(伪)最优设定的方法步骤中使用。基于模型的调节方法的这个示例性的设计方案对于将在本实施例中被模型化的金属块校准器的校准容积3调节到600℃的理论温度得到如图4所示的非常稳定的调节特性，其具有外部基准传感器所显示的温度值77的两倍的标准方差2σ≤3mK。

Claims

1.一种用于将用于比较式地校准温度传感器的校准装置的校准容积的温度调节到理论温度的方法，其中，所述校准装置具有热源和/或冷却源，所述热源和/或冷却源通过一个导热部件或多个导热部件与校准容积热接触，其特征在于，在至少一个方法步骤中，在使用卡尔曼滤波器的条件下估计真实的热力学状态，其中，将至少一个位于所述校准装置中的温度传感器的测量值输入卡尔曼滤波器，在至少一个另外的方法步骤中，在使用状态动态的热力学模型的条件下计算未来的热力学状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，状态动态模型是时间离散模型，并且用于计算热力学状态的细则是具有时间恒定的系数的线性微分方程，该时间恒定系数依赖于理论温度。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热力学状态包括

-校准容积内部的温度和/或热流量和/或温度的时间变化；

和/或

-导热部件内部的温度和/或热流量和/或温度的时间变化；

和/或

-在所述校准装置周围环境中的温度和/或热流量和/或温度的时间变化。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热力学状态包括在第一温度传感器的温度测量值的系统偏差与第二温度传感器的温度测量值的系统偏差之间的至少一个差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算在待校准的温度传感器的温度测量值的系统偏差与标准样件的温度测量值的系统偏差之间的至少一个差。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个方法步骤中，由对真实热力学状态的所述估计并在使用时间离散的状态动态模型的条件下，对于可调参量或调节量在一时间段上的至少两个设定，计算由此在所述时间段中得到的、校准容积内部的至少一个温度与理论温度的均方偏差。

7.一种用于将用于比较式地校准温度传感器的校准装置的校准容积的温度调节到理论温度的设备，其中，该设备至少包括电子数据处理单元，该电子数据处理单元能通过接口接收至少一个位于校准装置中的温度传感器的测量数据，其特征在于，在所述电子数据处理单元上执行热力学状态动态的热力学模型。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电子数据处理单元是微处理器。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，状态动态模型是时间离散模型，并且用于计算热力学状态的准则是具有时间恒定的系数的线性微分方程，所述时间恒定的系数依赖于理论温度。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述时间恒定的系数存储在非易失性的存储器中。

11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，所述设备在使用卡尔曼滤波器的条件下由接收到的测量数据估计所述校准装置的真实热力学状态。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述热力学状态包括在第一温度传感器的温度测量值的系统偏差与第二温度传感器的温度测量值的系统偏差之间的至少一个差。

13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，通过接口输出所估计的热力学状态的整体或分量。

14.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，由对真实热力学状态的所述估计并在使用时间离散的状态动态模型的条件下，对于校准装置的可调参量或调节量在一时间段上的至少两个可能的设定，计算由此在所述时间段中得到的、校准容积内部的至少一个温度与理论温度的均方偏差，并且通过接口输出所计算出的与理论温度的均方偏差最小的那个设定，并且调整相应的调节量或可调参量。