CN1846205A - 用于物质热分析的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在物质分析的方法中，其中物质经受激发且观察到对激发的响应，基于如下概念求值，确定模拟激发与响应之间的关系的数学模型的参数，然后根据该模型的时间序列的估算值计算物质的特征属性。

Description

用于物质热分析的方法和装置

本发明涉及一种用于物质热分析的方法，其中，物质受到激发引起可观察到的响应，该响应是基于一时间系列的激发的值和测量的所述响应的值求值的。本发明还涉及一种可用以执行本发明方法的装置。

通过对由这种方法在物质上引起的、作为在物质上进行激发的结果的响应进行分析，可以确定所述分析的时间间隔内的物质性质和物质参数，其是由所述时间系列的测量值覆盖的。受到激发的物质可以是单一物质，也可以是多种物质或材料的体系或混合物。举一个广为人知的这种方法的例子，在动态热分析中，物质以温度对比时间的特定程序的形式受到激发，同时分析中观察到的响应由样本产生的热流组成。该方法常常以差示法形式进行，其中测试物质和已知的参考物质根据温度程序进行激发，而在此情况中分析的响应由测试样本和参考样本各自的热流之间的差值组成。热机械分析代表另一个熟知的示例。在此情况中，分析的响应由测试物质构成的样本体在样本体进行温度对比时间的特定程序时发生的长度变化组成。

在这种熟知的差示热分析方法(EP0559362A1)中，构成激发的温度程序由其上叠加了特定频率和特定振幅的周期性温度调制的线性上升斜面形式的单个激发量组成。基于将表示热流之间的差的响应信号拆分成两个信号分量，对作为单个响应量以调制热流之间的差的形式获得的响应求值。其中一个信号分量通过确定由单个或多个调制周期组成的连续间隔(successive intervals)的各自平均值来获得，由此该信号分量表示响应信号中所含的单调部分。这两个信号分量的另一个表示响应信号中所含的交替部分。后一个信号分量随给定调制频率振荡，通过确定测量的响应信号与它的单调分量之间的差来获得。该激发和分析响应信号的概念所基于的是仅使用一个特定且固定的调制频率，这样激发仅选择性地对属于相同频率或其谐频的现象有效。

在另一个熟知的热分析方法(EP1 091208A)中避免这种限制在单个激发频率的方式，其中提出了随机激发，而且对响应量信号的求值包括了相关分析。但是，为了利用相关分析方法达到高的精度级，增加了测量所需的时间长度。

本发明解决了该问题，提出一种方法，它属于开始所述的那种方法且可以采用较随意形式的激发有效地对响应求值，同时还提出一种可用以执行该方法的装置。

根据本发明，提供解决方法的前述任务通过采用包含有限数目的参数的数学模型对响应信号求值得以解决，其中数学模型表示了激发和响应之间的关系。模型参数由时间序列的激发值和响应的测量值以及模型本身来确定。在根据本发明确定了这些参数之后，完全通过数学模型来镜像激发和响应之间的相关性。由此，甚至在不激发物质本身的情况下也可以确定物质对任何类型激发的响应。可以仅利用对模型的响应求出的值，即可计算该物质的特征属性。如果在可操作以执行该方法的装置中没有测试物质样本的情况下生成激发，则可以由该模型确定该装置的特征量而非物质的特征量。激发以及响应可以由多于一个量组成。为简明起见，此处所论述的本发明的原理主要围绕具有单个量的系统。

在本发明方法的一个特别重要的实施例中，模型的至少一部分设置为非时变且线性的。本实施例确认激发和响应之间的相关性在许多情况中至少为大约线性且非时变的。如本领域所知的，在这种类型的线性非时变模型中，表示激发的输入信号与表示响应的输出信号之间的相关性可以通过脉冲响应函数h(t)来描述。在模型参数确定之后，可以直接找出脉冲响应函数。再如本领域所知的，脉冲响应函数h(t)表示对应于激发信号具有狄拉克函数(Dirac delta function)形式的情况的响应信号，它在连续的情况中定义如下：

$d\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\∞& t=0\\ 0& t=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}d\left(t\right)\mathrm{dt}=1$

以及在时间离散的情况中，定义如下：

$d\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t=0\\ 0& t=\±1,\±2,...\end{array}\right.---\left(2\right)$

在时间连续的情况中，线性非时变系统的相关性描述如下：

$y\left(t\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}h\left(t^{\′}\right)u(t-t^{\′}){\mathrm{dt}}^{\′}---\left(3\right)$

其中u(t)表示输入信号或激发信号，h(t)表示脉冲响应函数，以及Y(t)表示输出信号或响应信号。在时间离散的情况中，最后一个表达式通过如下求和来近似：

$y\left(t\right)=\underset{t^{\′}=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(t^{\′}\right)u(t-t^{\′})---\left(4\right)$

其中t和t′只能取整数值，因为不失一般性地，连续测量之间的时间间隔(取样间隔)设为1。取样间隔越小或取样率越高，该近似值越得到改良。

如本领域所知，脉冲响应函数包含所有频率，并描述受到激发的物质的完整动态行为。可以由脉冲响应函数得出所需的物质特征量。由此，通过脉冲响应函数的傅立叶变换得到频率响应。应用于热分析领域，脉冲响应函数可以表示，例如，加热速率的一个脉冲之后，即一个温度跃变之后的热流信号。在此情况中，脉冲响应函数的积分得到热容量，其傅立叶变换指示热容量如何随频率成函数变化。因此，可以利用数学模型来输入很大程度上可自由选择的激发，而无需实际将激发作用到物质上并测量它的响应，同时根据模型的响应来确定该物质的属性。例如，通过输入无法以物理方式实现的狄拉克脉冲(Dirac impulse)，直接获得脉冲响应，并对Dirac脉冲求积分得到热容量。

如果以上论述的实施例应用于一个系统中，该系统于激发信号与响应信号之间的相关性包括不可忽略或视为不可忽略的非线性部分，第一种解决方案是，从激发信号和/或从响应信号中减去所有与非线性相关联的部分，以及仅对信号之差的其余量值通过线性非时变模型求值。但是，作为使用该过程的先决条件，非线性部分需要是已知的或必须有某种方式来确定它们。

而根据第二种备选解决方案，线性非时变模型通过增加将响应信号的非线性部分纳入考虑的数学项得以扩充。该数学表达式的定义量可以根据激发信号的时间序列和响应信号的测量值，与脉冲响应函数共同确定。包含非线性的这类系统中的激发信号和响应信号之间的关系可以通过如下形式的方程式来描述：

                  y_s(t)＝X+y(t)                     (5)

其中

$y\left(t\right)=\stackrel{\∞}{\∫}h(t-t^{\′})u\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}$

该备选解决方案主要着眼于如下频繁发生的情况：响应信号y_s(t)的非线性部分X(t)较之于线性部分y(t)仅为较慢地变化的。这是诸如动态热分析中的情况。响应信号表示的热流在此情况中由随表示加热速率的激发信号快速变化的可逆热流和物质的热事件(例如相变或化学反应)支配的不可逆热流构成。因为通常热事件需要一定量的时间，与它们相关联的热流无法跟上激发信号的快速变化，由此表现为相对较慢的变化。

因此在刚才讨论的条件下，可以将用于求值的时间序列测量值的期间限制于足够短的时间窗内，以使该时间窗内的非线性部分X(t)自我表示为一个常量，即以便可以假定在各自的时间窗期间

                    X＝c                        (6)

如果该时间窗内发生显著变化，可以选择线性关系来替代常量，即

                    X(t)＝c₀+c₁·(t-t₀)，        (7)

其中t₀表示可自由选择的常量。实际来看，t₀宜选为位于各情况中所用的时间窗的中间的时间点。如果这种假定的线性形式的关系不足以达到所需的精度级，则可以相似的方式扩充该假定关系X(t)，以便再包含二次或甚至更高阶项或其他函数。由此，分别地确定响应信号的线性或可逆部分以及非线性或不可逆部分。

可以直接将描述线性非时变系统的方程(3)和(4)中表示的假定关系用作数学模型的基础，并通过熟知的z变换技术由如下形式表示：

                    y(z)＝H(z)u(z)，            (8)

其中y(z)、H(z)和u(z)表示y(t)、h(t)和u(t)的z变换。当经过u(t)时，模型得到估算的值y(t)。

在上下文中，本发明方法的特别有利的实施例的特征在于z变换的脉冲响应函数假定为有理函数。这意味着H(z)取如下形式

$H\left(z\right)=\frac{B\left(z\right)}{A\left(z\right)}.---\left(9\right)$

其中B(z)和A(z)表示变量z的n_b阶和n_a阶的多项式。已经证明H(z)的这种假定的有理表达式准确或足够近似地描述了许多实际情况。这是模型的参数描述，其中这些参数由分母多项式A(z)和分子多项式B(z)的系数确定。通过将表达式(9)代入方程(8)，得到：

             A(z)y(z)＝B(z)u(z)                (10)

方程(10)表示的本发明概念的实施例还适用于如下情况：激发由多于一个值组成，即包含多于一个激发量，或响应由多于一个信号组成，即包含多于一个响应量。在此情况中，A(z)是含有每个信号相关联的分母多项式的系数的矩阵。B(z)是含有每个激发值相关联的分子多项式的系数的矩阵。本领域技术人员会发现不难将前述方程应用于含多种不同量的系统中。可以在如下教科书中找到指导注释，例如《MatLab用户手册：系统标识工具栏用户指南》第3-37页到3-39页(MatLab User Maual：System Identification Toolbox User′s Guide；TheMathWork，Inc.-November 2000，4^th printing for version 5.0(Release 12)，pages3-37 to 3-39)。下文通过具有一个激发量和一个响应量的示例更详细地解释该方法的原理，但是这不应视为范围限定。该方法显然还包括具有多于一个激发量的激发和/或具有多于一个响应量的响应。

作为确定脉冲响应函数的一种实际方式，本发明的范围包括如下概念：将z变换的脉冲响应函数的n_d阶分母多项式和n_b阶分子多项式赋予固定的数值，将这些多项式的系数确定以使该模型描述的激发信号和响应信号之间的关系尽可能与时间序列测量值相匹配。

作为实施前述概念的一种实际方式，z变换的脉冲响应函数所描述的激发信号与响应信号之间的关系在时间域中进行表示。在由此获得的线性方程组中，插入一个充分的时间序列的测量值以便可以对作为未知项的多项式系数解这些方程。

如本领域所熟知的，通过利用位移算子q获得时间域中的表示，当其在离散时间t_k上被应用于z变换的脉冲响应函数时，提供先前离散取样时间t_k-1上的脉冲响应函数值，或以数学项表示为：

        qh(t_k)＝h(t_k-1)

        qⁿh(t_k)＝h(t_k-n)                (11)

利用方程(11)的位移算子q，将方程(10)转置到具有如下结果的时间域：

y_k＝-a₁·y_k-1-a₂·y_k-2-.....-a_na·y_k-na

           +b₁·u_k-1+b₂·u_k-2+.....+b_k-nb·u_k-nb+e_k，  (12)

其中下标k、k-1、...表示取样时间点的离散值，a₁、a₂、...、a_na表示方程(9)中分母多项式的系数，以及b₁、b₂、...、b_nb表示方程(9)中分子多项式的系数。不失一般性，假定在方程(12)中a₀＝1。而且，假定系数b₀为零，这一般是在真实系统中的情况，因为实际上激发信号对响应信号没有产生即时的影响。但是应该注意前述方程(12)中可以包括b₀的非零值，而无需下文所述过程中的更改。

最后，在方程(12)的右手端添加了误差项e_k，它表示模型与实际的测量过程偏差的量。

如果将方程(12)中出现的激发信号和响应信号的测量值合并到按如下表达式定义的测量向量f_k：

f_k＝[-y_k-1，-y_k-2，....-y_k-na，u_k-1，u_k-2，....u_k-nb]  (13)

以及将表示未知项的参数值合并到按如下表达式定义的参数向量T：

T＝[a₁，a₂，...a_na，b₁，b₂，...，b_nb]^T，             (14)

则方程(12)可以写成如下的矩阵格式：

y_k ＝f_k·T+e_k                                        (15)

由此，n_a+n_b个方程是完整确定参数向量T所必需的，由此需要一个足够数量取样点k、k-1、...、k-n的时间序列。

该方程组以使方程间隙e_k最小的方式来解。例如可以采用最小平方法来实现此目的。

当按如上所解释的增加非线性部分时，方程(12)的右手边通过将算子多项式A(q)应用于方程(6)和(7)中定义的表达式而获得的附加项来延伸。这意味着参数向量T需要通过解该方程组时同样计算的对应参数来扩充。向量f_k将以相似的方式扩充。

如果采用例如方程(7)，则f_k和T可以表示为

f_k＝[1，t，-y_k-1，-y_k-2，....-y_k-na，u_k-1，u_k-2，...u_k-nb]  (16)

以及

T＝[Y₁，Y₂，a₁，a₂，...a_na，b₁，b₂，...，b_nb]^T，wherein

Y₁＝c₀·(1+a₁+...+a_p)-c₁·(a₁+2a₂+...+pa_p)，   (17)

Y₂＝c₁·(1+a₁+...+a_p).                        (18)

在此情况中，等式(15)也是适用的，其中向量y_k由方程(5)中的值y_s(t)组成。

本发明在动态热分析方法的熟知领域中有一个特别重要的应用。在这些过程中的激发信号中，常常有叠加于常量的加热速率B_u上的周期性或非周期性变量分量u_t，由此总的加热速率，即温度的时间导数由如下表达式给出：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=B_u+u_t\left(t\right)---\left(19\right)$

在这些过程中一个重要类别，响应信号表示动态热分析过程的热流。

响应前述表达式表示的激发信号发生的热流包含紧随加热速率的可变部分u(t)的可逆线性部分y(t)和基本可以描述为时间的线性函数的不可逆部分，由此总的得到如下表示：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=a_0+a_{1}t+y\left(t\right)---\left(20\right)$

在此情况中，上文讨论的方程组取如下形式：

y_k＝Y₁+Y₂·t_k-a₁y_k-1-a₂·y_k-2....-a_na·y_k-na+b₁·u_k-1

    +b₂·u_k-2....+b_k-nb·u_k-nb

T＝[Y₁，Y₂，a₁，a₂，...a_na，b₁，b₂，...，b_nb]^T            (21)

$a_1=\frac{Y_2}{1+\underset{i=1}{\overset{\mathrm{na}}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i},a_0=\frac{Y_1+a_1\·(\underset{i=1}{\overset{\mathrm{na}}{\mathrm{\Σ}}}i\·a_i)}{1+\underset{i=1}{\overset{\mathrm{na}}{\mathrm{\Σ}}}{a}_1}$

在前述方程中，参数a₁、a₂、...、a_na、b_a、b₂、...、b_nb确定可逆部分，而参数γ₁、γ₂确定不可逆部分。基于热流的可逆部分，由此可以根据熟知的计算方法确定比热容量。

热流可以通过确定沿热流路径发生的温差来测量。但是需要考虑的是，除测试物质所贡献的部分外，还有其它由用于执行热分析过程的测热系统导致的对热流的贡献。根据本发明对测量求值得到含有其系统相关贡献的总热流。但是，根据本发明的求值还可以应用于热流由物质样本和已知的参考物质的各自热流之差构成的过程。在这些差示方法中，系统相关贡献较小。

根据本发明的方法还可以有利地应用于样本对应于惰性参考样本的情况，或将激发施加于未放置样本的系统的情况。该方法在此情况中将得到装置的属性。

根据本发明的方法还可以有利地应用于响应信号表示已知动态热分析过程(DTA)的温差的情况。

再者，本发明的方法可以有利地应用于响应信号表示动态功率补偿热分析过程的加热功率差的情况。在采用功率补偿方法的情况下，测试物质的样本和已知参考物质以不同加热功率级以使该样本与该参考之间的温差恒定地调整为零的方式激发。在此情况中要求值的响应由样本与参考相比较的功率吸收的差组成。

根据本发明的方法还可以有利地应用于响应信号表示动态热机械分析过程中的长度变化的情况。在可以收缩的样本中，表示激发信号的温度程序可以同时促使样本热膨胀和叠加的收缩。根据本发明的方法可同时将热膨胀行为确定为可逆部分以及将收缩行为确定为不可逆部分。

一般应该注意，激发可以在开始时已知，由此无需测量激发值。但是，这并非本发明的先决条件。本发明还可应用于激发是未知且通过测量确定激发值的情况。在后一种情况中，适于执行该方法的装置需要装备有用于测量激发值的测量装置。总之，在本发明的优选实施例中，只要在确定了参数之后就可以将相当任意的激发施加于该数学模型。

在下文描述中，将参考附图详细讨论本发明，其中：

图1以示意图说明适于执行本发明方法的实际示例的差示量热器；

图2以示意图说明本发明方法的实际示例中发生的测量值处理；

图3以示意图可视化了用于确定模型参数的处理步骤；以及

图4以示意图说明如何通过模型计算响应值。

图1纵向切面所示的差示量热器具有中空的柱形炉体1，它由银制成且可以通过平板状电阻加热器2加热。在其顶端，炉体1通过罩装置3封闭，罩装置3可以卸下，以便可进入炉体1的内部空间4，以供填充炉体之用。

碟状基板5在炉体1的内部空间4中延伸，并与后者热耦合。

在沿径向平面水平延伸的顶面上，碟状基板5有一个容纳样本炉缸6，以及--以热对称设置方式--第二个位置容纳参考炉缸7。样本炉缸6和参考炉缸7的各自位置分别装备有热电偶装置。在图示的实施例中，这两个热电偶装置的电气上相反的两个极端连接在基板5上，而另两极端接于廷伸到炉体1的外侧且仅以示意方式表示的两个信号引线8。该设置具有如下的结果，两个引线8之间发生的热电信号对应于该样本位置和该参考位置之间的温差ΔT。该热电信号以熟知方式一方面与炉体1与样本炉缸6之间发生的两个热流之差相关，另一方面与炉体1与参考炉缸7之间的差相关。

电阻加热器2连接到提供电热能的受控电源(附图中未示出)。以使温度依照与时间成函数关系的预定动态温度分布的方式控制该电源。温度分布通过铂丝温度计9记录，铂丝温度计设在炉体1中且其输出信号通过示意表示的信号引线10传送到炉体1的外部。由此，信号引线10载送与预定温度分布对应的信号。

参考符号11、12和13分别标识净化气体输入导管、净化气体输出导管和干气体供应导管。再者，参考符号14、15和16分别标识冷却法兰盘、冷却齿和铂丝温度计的熟知装置。热电阻隔离体17设在冷却装置14和15与电阻加热器2之间。

在该差示量热器中，样本炉缸6内的样本在炉体1内受到的温度分布表示激发。信号引线10载送的表示温度分布的信号通过足够快的取样率被检测，并通过处理装置执行时间微分，由此获得温度分布的时间微分，换言之加热速率。在信号引线10上对信号取样的同时，该装置还记录信号引线8上表示响应激发发生的差示热流的温差信号ΔT。

通过该过程，得到由加热速率给定的激发信号测量点u(t_k)、u(t_k-1)的时间序列，以及响应信号y(t_k)、y(t_k-1)、......的时间序列。图2中示意地显示了这一点。图2中扩在t_k和t_k-N之间的测量值序列定义了具有足够数量的测量点以便可以解上文讨论的方程组(15)和(21)的处理窗。如果N＝(n_d+n_b)，则是此情况。由此，对整个测量温度分布内处理窗的每个位置重新确定模型的参数值。利用此方式确定的参数，可以计算该系统的任何响应，特别是它的脉冲响应。

图3和图4更详细地显示了这一点，其中u表示激发信号以及y表示响应信号。符号u_k指示激发信号u(t_k)在取样时间t_k的值，它是开始就已知的或通过测量确定的。同样地，y_k表示响应信号y(t_k)在取样时间t_k上的测量值。符号T表示如上文方程(14)中定义的参数值的向量。

基于前述的符号定义，图3图示激发u对物质样本18的影响以及物质样本对此反应而返回的响应y。测量装置19对响应y取样并将取样值y_k传送到其中包括数学模型的处理装置20。处理装置20也得到在图3表示中假定为已知的激发的值u_k。基于这些输入值，处理装置20以上文解释方程(1)至(21)的方式确定参数值的向量T。

图4以符号表示方式显示如何将根据图3获得的参数值的向量T输入到数学模型21中。使用向量T的值，模型模拟激发与响应之间的关系。如图4所示，利用该模型可以确定激发的任意值u_k的估算响应值y_k，由此根据响应值计算物质特征属性，而无需激发物质并测量它的响应。

在先前示例中，响应信号表示该样本和该参考之间的热流差。另一方面在热机械分析的情况中，记录的响应信号由经受温度程序的样本的长度变化组成。

根据前述讨论的值处理实际上适于动态激发信号u(t)的所有信号分布。具体来说激发信号可以是随机信号，或有限期间的随机信号序列自我重复的伪随机信号。

                   参考符号的列表

1     炉体

2     电阻加热器

3     罩装置

4     内部空间

5     基板

6     样本炉缸

7     参考炉缸

8     信号引线

9     铂丝温度计

10    信号引线

11    净化气体输入导管

12    净化气体输出导管

13    干气体供应导管

14    冷却法兰盘

15    冷却齿

16    铂丝温度计

17    热电阻隔离体

18    物质样本

19    测量装置

20    处理装置

21    数学模型

权利要求书

(按照条约第19条的修改)(根据专利合作条约19条修改后)

1.用于物质热分析的方法，其中物质受到激发，所述激发引起可观察的响应，所述响应是根据时间序列的激发值和所述响应的测量值来求值的，

其特征在于所述求值采用具有有限数量参数的数学模型，所述数学模型描述了激发和响应之间的关系，且其中所述模型的参数从所述时间序列的激发值和响应的测量值并通过使用该数学模型本身来确定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个激发量的时间序列的值是任意规定的。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于物质特征属性的计算包括计算物质属性的频率相关性。

4.如权利要求1至3的任一项所述的方法，其特征在于将涵盖所述至少一个激发量的值的至少时间序列的时间间隔的参数假定为随时间恒定的。

5.如权利要求1至4的任一项所述的方法，其特征在于对不同时间间隔，通过每个时间间隔内选择的各时间序列分别确定所述参数。

6.如权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于所述模型包括假定为非时变且线性的部分。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于通过用来说明所述响应的非线性部分的数学表达式补充所述非时变线性部分。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于将z变换域中的所述线性部分假定为有理函数。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于在z变换域中规定所述模型的线性部分的na阶分母多项式和nb阶分子多项式，并以使所述模型所描述的激发和响应之间的关系最优地与时间序列的测量值相符的方式来确定所述多项式的系数。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于z变换域中描述的激发和响应之间的关系是在基于时间的域中表示，由此得到线性方程组，将时间序列的足够数量的所述至少一个激发量的值和所述至少一个响应量的测量值插入所述方程组，以解所述方程组求得所述多项式系数。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于最小化在解所述方程的过程中出现的方程间隙。

12.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变温度的激发量。

13.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变功率值的激发量。

14.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变压力值的激发量。

15.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变辐射值的激发量。

16.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变应力或张力值的激发量。

17.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变气体气氛的激发量。

18.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变磁场的激发量。

19.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热分析过程的温差的响应量。

20.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热分析过程的热流的响应量。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述热流由所述物质样本和已知的参考物质的各自热流之差构成。

22.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态功率补偿热分析过程的加热功率差的响应量。

23.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热机械分析过程中发生的长度变化的响应量。

24.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热重量分析过程中发生的重量变化的响应量。

25.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热机械分析过程中发生的力的响应量。

26.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态机械分析过程中发生的长度变化的响应量。

27.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态电介质分析过程中发生的电压变化的响应量。

28.如权利要求1至27的任一项所述的方法，其特征在于一种为执行所述方法而设计的装置，在没有待观察物质的情况下生成所述激发，并根据由此定义的模型，确定所述装置的特征量。

29.用于执行如权利要求1至28的任一项所述的方法的装置，其包括

使所述物质的样本可以经受动态激发的装置，其中激发引起可观察的响应；进一步包括用于确定关联于响应的测量值的装置；还包括用于对来自时间序列的激发值和响应的关联值的响应进行求值的装置，

其特征在于，计算设备中数学模型定义为包含有限数量的参数并描述激发和响应之间的关系，其中可以基于来自时间序列的激发值和响应的测量值的模型计算所述参数。

30.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述激发装置包括生成与时间成函数关系的温度分布的装置以及还包括用于建立样本的热耦合的装置，其中所述测量装置用于测量所述样本影响的热流。

31.如权利要求30所述的装置，其特征在于所述耦合装置包括用于建立参考材料的对称热耦合的装置，以及其特征还在于所述测量装置用于测量至所述样本的热流与至所述参考材料的热流之间的差。

32.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述激发装置包括生成与时间成函数关系的温度分布的装置，还包括用于建立所述样本和参考材料的热耦合的装置，以及还包括用于调整所述样本与所述参考材料之间的温差以将所述差值保持为零的装置，其中所述测量装置用于测量提供至所述样本与至所述参考材料的加热功率的各自值之间的差，加热功率的各个值的所述差对于零温差的所述调整是必需的。

33.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述激发装置包括生成与时间成函数关系的温度分布的装置以及还包括用于建立样本的热耦合的装置，其中所述测量装置用于测量所述样本的长度变化。

34.权利要求29至33的任一项所述的装置，其特征在于提供传送所述激发信号的值的装置，以用于测量表示所述激发的激发信号。

Claims (34)

1.用于物质的热分析的方法，其中

使物质受到激发；

所述激发由至少一个激发量组成；

所述激发引起可观察的响应；

所述响应由至少一个响应量组成；

所述激发表示所述至少一个激发量的时间序列的值；

所述响应通过所述至少一个响应量的测量值来记录；

提出一种具有有限数目的参数的数学模型，它接收所述至少一个激发量的时间序列的值作为输入，并传送至少一个输出量的时间序列的估算值；

在所述方法的第一步骤中，使用所述数学模型本身、所述至少一个激发量的时间序列的值以及所述至少一个响应量的时间序列的测量值，以使所述模型模拟所述激发与所述响应之间的关系的方式来确定所述数学模型的参数；在所述方法的接下来步骤中，向所述数学模型提供所述至少一个激发量的时间序列的值，并基于所述至少一个激发量的所述时间序列的值和所述模型传送的至少一个输出量的时间序列的估算值计算物质的特征属性。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个激发量的时间序列的值是任意规定的。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于物质特征属性的计算包括计算物质属性的频率相关性。

4.如权利要求1至3的任一项所述的方法，其特征在于将涵盖所述至少一个激发量的值的至少时间序列的时间间隔的参数假定为随时间恒定的。

5.如权利要求1至4的任一项所述的方法，其特征在于对不同时间间隔，通过每个时间间隔内选择的各时间序列分别确定所述参数。

6.如权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于所述模型包括假定为非时变且线性的部分。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于通过用来说明所述响应的非线性部分的数学表达式补充所述非时变线性部分。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于将z变换域中的所述线性部分假定为有理函数。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于在z变换域中规定所述模型的线性部分的n_a阶分母多项式和n_b阶分子多项式，并以使所述模型所描述的激发和响应之间的关系最优地与时间序列的测量值相符的方式来确定所述多项式的系数。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于z变换域中描述的激发和响应之间的关系是在基于时间的域中表示，由此得到线性方程组，将时间序列的足够数量的所述至少一个激发量的值和所述至少一个响应量的测量值插入所述方程组，以解所述方程组求得所述多项式系数。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于最小化在解所述方程的过程中出现的方程间隙。

12.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变温度的激发量。

13.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变功率值的激发量。

14.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变压力值的激发量。

15.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变辐射值的激发量。

16.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变应力或张力值的激发量。

17.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变气体气氛的激发量。

18.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述激发包括对应于可变磁场的激发量。

19.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热分析过程的温差的响应量。

20.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热分析过程的热流的响应量。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述热流由所述物质样本和已知的参考物质的各自热流之差构成。

22.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态功率补偿热分析过程的加热功率差的响应量。

23.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热机械分析过程中发生的长度变化的响应量。

24.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热重量分析过程中发生的重量变化的响应量。

25.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态热机械分析过程中发生的力的响应量。

26.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态机械分析过程中发生的长度变化的响应量。

27.如权利要求1至11的任一项所述的方法，其特征在于所述响应包括对应于动态电介质分析过程中发生的电压变化的响应量。

28.如权利要求1至27的任一项所述的方法，其特征在于一种为执行所述方法而设计的装置，在没有待观察物质的情况下生成所述激发，并根据由此定义的模型，确定所述装置的特征量。

29.用于执行权利要求1至28的任一项所述的方法的装置，它包括使所述物质的样本可以经受具有至少一个激发量的动态激发的装置，其中激发导致具有至少一个响应量的可观察响应；进一步包括用于确定表示所述响应的所述至少一个响应量的测量值的装置；以及还包括用于根据所述至少一个激发量的时间序列的值和所述至少一个响应量的时间序列的相关值计算物质的属性的装置，其特征在于计算装置设为其中定义了数学模型，包含有限数目的参数且描述所述激发和所述响应之间的关系，其中所述参数可以基于所述模型由所述至少一个激发量的时间序列的值和响应信号的时间序列的测量值来计算；以及特征还在于所述数学模型提供与用于计算物质属性的装置相关的所述至少一个响应量的相关值。

30.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述激发装置包括生成与时间成函数关系的温度分布的装置以及还包括用于建立样本的热耦合的装置，其中所述测量装置用于测量所述样本影响的热流。

31.如权利要求30所述的装置，其特征在于所述耦合装置包括用于建立参考材料的对称热耦合的装置，以及其特征还在于所述测量装置用于测量至所述样本的热流与至所述参考材料的热流之间的差。

32.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述激发装置包括生成与时间成函数关系的温度分布的装置，还包括用于建立所述样本和参考材料的热耦合的装置，以及还包括用于调整所述样本与所述参考材料之间的温差以将所述差值保持为零的装置，其中所述测量装置用于测量提供至所述样本与至所述参考材料的加热功率的各自值之间的差，加热功率的各个值的所述差对于零温差的所述调整是必需的。

33.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述激发装置包括生成与时间成函数关系的温度分布的装置以及还包括用于建立样本的热耦合的装置，其中所述测量装置用于测量所述样本的长度变化。

34.权利要求29至33的任一项所述的装置，其特征在于提供传送所述激发信号的值的装置，以用于测量表示所述激发的激发信号。

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