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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Strahlungsthermometer zur Messung
der Temperatur eines Messobjekts mit von dem Messobjekt abgestrahlter
Infrarotstrahlung.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Als
diese Art von Strahlungsthermometer ist ein Fieberthermometer zur
Messung nach dem beispielsweise im Blatt für ungeprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldungen,
Offenlegungsnummer Sho 61-117422 offenbarten Verfahren bekannt.
Das Fieberthermometer umfasst einen Infrarotstrahlungssensor, eine
Sonde zur Aufnahme von Infrarotstrahlung aus einer Ohröffnung sowie
eine Steuerung zum Halten einer Sensortemperatur eines Infrarotsensors auf
einer bestimmten Temperatur und berechnet eine Temperatur anhand
einer Ausgabe des Infrarotstrahlungssensors und der Sensortemperatur
des auf einer bestimmten Temperatur gehaltenen Infrarotstrahlungssensors.
Außerdem
berechnet bei einem weiteren Strahlungsthermometer ähnlichen
Typs dieses eine Temperatur anhand einer gemessenen Sensortemperatur
eines Infrarotstrahlungssensors und einer Ausgabe eines Infrarotsensors
unter Messen der Temperatur des Infrarotsensors (Sensortemperatur), anstatt
diese zu halten.
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Bei
einem solchen Strahlungsthermometer wird die Temperatur eines Messobjekts
gemäß dem folgenden
Logikausdruck (Gleichung 1) berechnet, der von einer Regel, allgemein
als Stefan-Boltzmann-Regel bekannt (siehe beispielsweise „Infrared radiation
engineering: basics and applications" herausgegeben von Infrared Ray Technology
Research Institute und verlegt bei Ohmsha Ltd.) abgeleitet wird: Ausgabe eines Infrarotstrahlungssensors
E = L (Tx4 – Ta4) Gleichung 1wobei
Tx die absolute Temperatur eines Messobjekts (Messobjekttemperatur)
ist,
Ta die absolute Temperatur eines Infrarotstrahlungssensors
(Sensortemperatur) ist,
E die Ausgabe eines Infrarotstrahlungssensors
(Sensorausgabe) ist, und
L ein die Empfindlichkeit eines Messsystems
angebender Koeffizient ist.
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In
der Vergangenheit wurde bei einem solchen Strahlungsthermometer
die Sensortemperatur auf einer Referenztemperatur Ta0 gehalten,
ein Messobjekt mit einer bekannten Messobjekt-Referenztemperatur T0 gemessen und ein
Messwert gemäß einem
Logikausdruck, wie etwa Gleichung 1, unter Verwendung einer berechneten
Sensorausgabe E0 abgeglichen. D.h., während einer Einstellung bestimmten
im Strahlungsthermometer eingebaute Steuermittel einen Koeffizienten
L, der gemäß der durch
die Gerade 101 der 8 wiedergegebenen Gleichung
aus obigem (T0, Ta0, E0) am genauesten berechnet werden konnte,
und hielt den Koeffizienten in einem lesbaren Speicher der Steuermittel.
Bei der Messung lasen dann die im Strahlungsthermometer eingebauten
Steuermittel den Koeffizienten L aus dem Speicher aus und berechneten
die Temperatur des Messobjekts nach Maßgabe der Gleichung 1 anhand
einer Sensorausgabe E und der Sensortemperatur Ta des Infrarotstrahlungssensors.
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Beim
oben beschriebenen Stand der Technik besteht jedoch das Problem,
dass die logische Beziehung wie in dem obigen Logikausdruck (Gleichung
1) abhängig
von Eigenschaften von Teilen, wie etwa eines eine Messvorrichtung
bildenden Infrarotstrahlungssensors, nicht notwendigerweise erfüllt werden kann.
Beispielsweise wird die Beziehung des obigen Logikausdrucks (Gleichung
1) durch die Gerade 101 wiedergegeben, bei einer tatsächlichen
Messung jedoch erscheint ein Zwischenraum zwischen der Geraden 101 und
beispielsweise der gepunkteten Linie 100 der 8.
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Es
besteht daher das Problem, dass ein Auftreten eines Messfehlers
letztlich auch dann nicht vermieden werden kann, wenn auf eine Verbesserung
einer absoluten Präzision
eines Messwerts gemäß dem Logikausdruck
(Gleichung 1) der Stefan-Boltzmann-Regel angestrebt wird, und dass
Teile, wie etwa ein Sensor, mit hoher absoluter Präzision erforderlich
sind, um einen solchen Fehler einzugrenzen.
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EP-A-0
446 738 beschreibt ein Strahlungsthermometer, bei dem die Solltemperatur
eine Funktion von Differenzen zwischen einer Sensortemperaturreferenz
und der Sensortemperatur sowie der Sensorausgabereferenz und der
Sensorausgabe ist, wobei Differenzen von Potenzen höherer Ordnung der
betreffenden Parameter umfasst sind.
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ÜBERBLICK
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des obigen Problems gemacht,
und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Strahlungsthermometer
zu schaffen, welches zu einer exakten Messung in der Lage ist, ohne
von einer absoluten Exaktheit eines Infrarotstrahlungssensors zur
Feststellung von Infrarotstrahlung oder eines Temperatursensors
zur Messung der Temperatur des Infrarotstrahlungssensors abhängig zu
sein.
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Zur
Lösung
obiger Aufgabe ist das Strahlungsthermometer der vorliegenden Erfindung
wie in Anspruch 1 definiert.
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In
diesem Fall können
die Steuermittel die Schwankungscharakteristik einer Messobjekttemperatur
aufbewahren, die durch die Kombination vorab gemessener Messobjekttemperaturen
an mehreren Punkten, eine Sensortemperatur und eine Sensorausgabe
spezifiziert ist, und die Messobjekttemperatur beruhend auf der
Schwankungsgröße der Messobjekttemperatur
mit der ersten Differenz, der Schwankungsgröße der Messobjekttemperatur
mit der zweiten Differenz und der Information für eine Messobjekt-Referenztemperatur
berechnen.
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Außerdem können die
Steuermittel ferner Berechnungsinformation für die sensortemperaturabhängige Größe, die
beruhend auf der Beziehung zwischen einer jeden Sensorausgabe zu
der Zeit, zu der der Infrarotsensor Infrarotstrahlung von einem
Messobjekt mit einer spezifischen Messobjekttemperatur bei verschiedenen
Sensortemperaturen an einer Anzahl von Punkten feststellt, und einer
jeden Sensortemperatur zu dieser Zeit aufgefunden wird, sowie Berechnungsinformation
für die
sensorausgabeabhängige
Größe, die
beruhend auf der Beziehung zwischen einer jeden Sensorausgabe zu
der Zeit, zu der der Infrarotstrahlungssensor Infrarotstrahlung
von einem Messobjekt mit verschiedenen Messobjekttemperaturen einer
Anzahl von Punkten bei einer spezifischen Sensortemperatur feststellt,
und einer jeden Messobjekttemperatur zu dieser Zeit aufgefunden wird,
aufbewahren und die Temperatur des Messobjekts beruhend auf einer
relativen sensortemperaturabhängigen
Größe, die
beruhend auf der ersten Differenz und der sensortemperaturabhängigen Größenberechnungsinformation
zu berechnen ist, einer relativensensorausgabeabhängigen Größe, die
beruhend auf der zweiten Differenz und der sensorausgabeabhängigen Größenberechnungsinformation
berechnet wird, und auf Information für die Messobjekt-Referenztemperatur
berechnen.
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Zu
diesem Zweck wird eine Sensorreferenzausgabe zu der Zeit, zu der
ein Referenz zu seiendes Messobjekt mit einer Messobjekt- Referenztemperatur
durch einen Infrarotsensor, der auf eine Sensorreferenztemperatur
gesetzt ist, gemessen wird, vorab zuerst berechnet. Dann wird, wenn
ein Messobjekt mit einer unbekannten Messobjekttemperatur bei einer
spezifischen Sensortemperatur gemessen wird und eine spezifische
Sensorausgabe aufgefunden wird, die Messobjekttemperatur des Messobjekts
beruhend auf einer jeden Differenz der Sensortemperatur und der
Sensorausgabe anhand der Sensorreferenztemperatur und der Sensorreferenzausgabe
berechnet.
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In
diesem Fall können
eine Änderungsgröße für die Sensortemperatur,
d.h., eine relativsensortemperaturabhängige Größe, beruhend auf der Differenz
der Sensortemperatur gegenüber
der Sensorreferenztemperatur und einer Messtemperatur, die auf Sensorausgabe
zurückzuführen ist,
gemäß dem Logikausdruck
(Gleichung 1) berechnet werden.
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Außerdem kann
eine Änderungsgröße für die Sensorausgabe,
d.h., eine relativsensorausgabeabhängige Größe, beruhend auf der Differenz
der Sensorausgabe gegenüber
der Sensorreferenzausgabe und einer Messtemperatur, die auf die
Sensortemperatur zurückzuführen ist,
gemäß dem Logikausdruck
(Gleichung 1) berechnet werden.
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Ferner
können
die Temperaturmessmittel mit einem Thermistor oder einer Diode ausgestattet
sein. Ferner können
die Infrarotstrahlungsfeststellungsmittel mit einer Thermosäule oder
einem pyroelektrischen Sensor ausgestattet sein.
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Ferner
kann sich die Änderungscharakteristik
aus einem biquadratischen oder weniger Polynom aus einem von oder
beiden von einem Sensortemperaturwert und einem Sensorausgabewert
zusammensetzen, und die Berechnungsinformation für die sensortemperaturabhängige Größe kann
durch einen Koeffizienten dargestellt werden, der sich aus einem
biquadratischen oder weniger Polynom eines Sensortemperaturwerts
zusammensetzt, und die Berechnungsinformation für die sensorausgabeabhängige Größe kann
durch einen Koeffizienten dargestellt werden, der ein biquadratisches
oder weniger Polynom eines Sensorausgabewerts aufbaut.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaltbild, welches einen Aufbau eines Strahlungsthermometers
gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Flussdiagramm, welches eine Arbeitsweise eines Strahlungsthermometers
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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3 ist
ein Flussdiagramm, welches eine Arbeitsweise von Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist
ein Flussdiagramm, welches eine Arbeitsweise von Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
ein Graph, welcher ein Messprinzip der vorliegenden Erfindung zeigt,
welches einen Logikausdruck oder einen tatsächlichen Messwert der Nachweischarakteristik
eines Strahlungsthermometers verwendet.
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6 ist
ein Graph, der eine experimentelle Gleichung einer sensorausgabeabhängigen Größe gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist
ein Graph, der eine experimentelle Gleichung einer sensortemperaturabhängigen Größe gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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8 ist
ein Graph, der einen logischen Ausdruck und einen tatsächlichen
Messwert der Nachweischarakteristik eines Strahlungsthermometers zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Ausführungsform 1
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Aufbau eines
Strahlungsthermometers
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Ein
Strahlungsthermometer gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf 1, 2 und 5 bis 7 beschrieben. 1 ist
ein Blockschaltbild eines Strahlungsthermometers gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung, 2 ist ein
Flussdiagramm, welches seine Arbeitsweise zeigt, 5 ist ein
Graph, der ein Messprinzip der vorliegenden Erfindung zeigt, 6 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen der Nachweischarakteristik
und einer Sensorausgabe des Strahlungsthermometers dieser Ausführungsform
zeigt, und 7 ist ein Graph, der die Beziehung
zwischen der Nachweischarakteristik und einer Sensortemperatur des
Strahlungsthermometers zeigt.
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Ein
Blockschaltbild, das den Aufbau dieses Strahlungsthermometers zeigt,
ist in 1 gezeigt. Dieses Strahlungsthermometer ist mit
einem Infrarotstrahlungssensor 1 zur Feststellung von aus
einer Ohröffnung
abgestrahlter Infrarotstrahlung, einem Temperatursensor 2 (entsprechend
einem Sensortemperaturmessabschnitt) zur Messung der Temperatur
des Infrarotstrahlungssensors 1 selbst (Sensortemperatur),
einer (nicht gezeigten) Sonde für
die Einführung
in eine Ohröffnung
zum Leiten von Infrarotstrahlung vom Trommelfell und seiner Umgebung zum
Infrarotstrahlungssensor 1, einem Verstärker 3 für den Empfang
und die Verstärkung
einer Ausgabe des Infrarotstrahlungssensors 1 (Sensorausgabe) und
einem A/D-Wandler 4 zur Umwandlung einer Ausgabe des Sensors 1 und
einer Ausgabe des Temperatursensors 2, die durch den Verstärker 3 verstärkt worden
sind, in digitale Größen ausgestattet. Außerdem weist
das Strahlungsthermometer eine CPU 5 zur Steuerung einer
Messsequenz auf, wobei der oben erwähnte A/D-Wandler 4, ein EIN/AUS-Schalter 7 zum
Ein- oder Ausschalten einer Spannungsquelle, ein Messungsstartschalter 8,
der das Starten einer Messung anweist, ein Speicher 9 und
eine Flüssigkristallanzeige 6 mit
der CPU 5 verbunden sind.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird eine Thermosäule
als Infrarotstrahlungssensor verwendet. Der Infrarotstrahlungssensor 1 ist
in der Tiefe der Sonde zusammen mit dem Temperatursensor 2 angeordnet. Eine
Ausgabe des Infrarotsensors 1 wird einem Verstärker 3 eingegeben
und verstärkt,
durch den A/D-Wandler 4 in Digitalsignale umgewandelt und
in die CPU 5 eingegeben.
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Andererseits
berührt
der Temperatursensor 2 den Infrarotstrahlungssensor 1,
um die Temperatur des Infrarotstrahlungssensors 1 zu messen.
Eine Ausgabe des Temperatursensors 2 wird so, wie sie ist,
durch den A/D-Wandler 4 in Digitalsignale umgewandelt und
der CPU 5 zugeleitet. Bei dieser Ausführungsform wird ein Thermistor
als Temperatursensor 2 verwendet. Daher ist bei dieser
Ausführungsform die
durch den Temperatursensor 2 gemessene Sensortemperatur
des Infrarotstrahlungssensors 1 als Widerstandswert R des
Thermistors gezeigt.
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Verarbeitung
durch die CPU
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Die
Verarbeitung durch die CPU wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben.
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Die
CPU 5 berechnet (wie entsprechend Steuermitteln) die Temperatur
Tx eines Messobjekts anhand der Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1 und
der Ausgabe Ta des Temperatursensors 2 (beziehungsweise
des Widerstandswerts R des Thermistors) durch Ausführen eines
im Speicher 9 gespeicherten Steuerprogramms. Die Temperatur entspricht
der Messobjekttemperatur.
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In
diesem Fall ist es erforderlich, vorab die Temperatur eines Messobjekts
zu messen, dessen Temperatur eine bekannte Referenztemperatur sein soll,
und eine von der CPU 5 berechnete Messtemperatur abzugleichen.
Es wird nun angenommen, dass der Temperatursensor 2 auf
der Sensorreferenztemperatur Ta0 (die Ausgabe des Temperatursensors 2 zu
dieser Zeit ist der Referenzwiderstand R0) gehalten wird, und die
Sensorreferenzausgabe E0 des Infrarotstrahlungssensors 1,
wenn die Temperatur eines Messobjekts die bekannte Referenztemperatur T0
(Messobjekt-Referenztemperatur) hat, aufgefunden wird. Außerdem wird
dieses (T0, E0, Ta0) Justierpunkt und (E0, Ta0), die Messobjekt-Referenztemperatur
T0 ausschließend,
Referenzpunkt genannt.
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In
der Vergangenheit wurde, wie oben beschrieben, ein Messwert gemäß einem
Logikausdruck, wie etwa Gleichung 1, unter Verwendung dieser Daten
des Justierpunkts (T0, E0, Ta0) abgeglichen.
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Demgegenüber berechnet
in dieser Ausführungsform
die CPU 5 die Differenz ΔE
der Sensorausgabe E in Bezug auf die Sensorreferenzausgabe E0, sowie
die Differenz ΔTa
(die Differenz ΔR
des Widerstandswerts des Temperatursensors 2) der Sensortemperatur
gegenüber
der Sensorreferenztemperatur Ta0 (die Ausgabe R0 des Temperatursensors 2),
und rechnet relativ die Messobjekttemperatur Tx anhand der Differenzen.
Dies entspricht einer Berechnung der Messobjekttemperatur Tx eines
Messobjekts mit der Versetzung, die durch einen Pfeil 102 in
dem Bereich angegeben wird, der durch die obige Differenz in der
Nachbarschaft des Referenzpunkts (E0, Ta0) auf dem Graph der Nachweischarakteristik des
tatsächlich
gemessenen Strahlungsthermometers angegeben wird, die durch eine
in 5 gezeigte gestrichelte Linie 100 angegeben
wird (auf dies wird nachfolgend als Schwankungscharakteristik Bezug
genommen).
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Das
heißt,
die vorliegende Erfindung schafft ein Strahlungsthermometer zur
Messung der Temperatur eines Messobjekts gemäß unten stehender Gleichung
2 anstelle der herkömmlichen
Gleichung 1. Temperatur
Tx = T0 + f(ΔTa)
+ g(ΔE) Gleichung 2wobei
T0 eine Messobjekt-Referenztemperatur eines Messobjekts ist;
ΔTa eine Differenz
der Sensortemperatur des Infrarotstrahlungssensors 1 gegenüber der
Sensorreferenztemperatur ist. Wenn jedoch ein temperaturmessendes
Widerstandsmaterial, wie etwa ein Thermistor, als Temperatursensor 2 verwendet
wird, wird die Sensortemperatur allgemein als sein Widerstandswert
R angegeben, und die Differenz der Sensortemperatur wird als Differenz ΔR des Widerstandswerts R
gegenüber
dem Referenzwiderstandswert R0 angegeben;
ΔE eine Differenz der Sensorausgabe
des Infrarotstrahlungssensors 1 gegenüber der Sensorreferenzausgabe
ist;
f eine Funktion ist, die den Beitrag zur gemessenen Temperatur
angibt, wenn sich die Sensortemperatur ändert (entsprechend der Berechnungsinformation für die sensortemperaturabhängige Größe). Infrarotstrahlung
von einem Messobjekt, dass Referenz mit einer spezifischen Temperatur
sein soll, kann beruhend auf der Beziehung zwischen der Sensorausgabe
des Infrarotstrahlungssensors 1 zu der Zeit, zu der sie
bei verschiedenen Sensortemperaturen einer Anzahl von Punkten festgestellt
wird, und der Sensortemperatur zu dieser Zeit experimentell berechnet werden;
f(ΔTa) eine
relativsensortemperaturabhängige
Größe ist.
Wenn jedoch ein temperaturmessendes Widerstandsmaterial, wie etwa
ein Thermistor, als Temperatursensor 2 verwendet wird,
kann diese äquivalent als
f(ΔR) dargestellt
werden;
g ein Beitrag zur gemessenen Temperatur ist, wenn sich
die Sensorausgabe ändert
(entsprechend der Berechnungsinformation für die sensorausgabeabhängige Größe). Infrarotstrahlung
von einem Messobjekt, das eine Referenz bei verschiedenen Messobjekttemperaturen
an einer Anzahl von Punkten sein soll, kann beruhend auf der Beziehung
zwischen der Sensorausgabe des Infrarotstrahlungssensors 1 zu
der Zeit, zu der sie an einer spezifischen Sensortemperatur festgestellt
wird, und der Messobjekttemperatur zu dieser Zeit experimentell
berechnet werden; und
g(ΔE)
eine relativsensorausgabeabhängige
Größe ist.
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Da
ein Thermistor als Temperatursensor 2 verwendet wird, wird
seine Ausgabe als ein Widerstandswert aufgefunden. Nachstehend ist
Gleichung 3 gezeigt, in welcher die Sensortemperatur Ta der Gleichung
2 als Ausgangswiderstand R des Thermistors, der der Temperatursensor 2 ist,
umgeschrieben ist. Ein Strahlungsthermometer gemäß dieser Ausführungsform
misst eine Temperatur gemäß dieser Gleichung
3. Temperatur Tx
= T(R0, E0) + f(ΔR)
+ g(ΔE)
=
T0 + f(ΔR)
+ g (ΔE) Gleichung 3
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Aufgrund
dessen wird bei dieser Ausführungsform
die Änderungscharakteristik,
wie sie in 6 und 7 gezeigt,
für jedes
Strahlungsthermometer, das ein Justierobjekt ist, aufgefunden, indem
die Sensorausgabe E oder die Sensortemperatur Ta (die Ausgabe R
des Tempera tursensors 2) am Referenzpunkt (E0, Ta0) festgelegt
wird und indem die andere geändert
und die Temperatur eines Messobjekts, dessen Temperatur bekannt
ist, gemessen wird.
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Zunächst wird
die bekannte Temperatur eines Messobjekts, das Referenz sein soll,
durch T0 (die Messobjekt-Referenztemperatur) dargestellt und die
Ausgabe, wenn T0 bei der Sensorreferenztemperatur Ta0 gemessen wird
(die Ausgabe des Temperatursensors ist der Referenzwiderstandswert
R0), durch E0 (Sensorreferenzausgabe) dargestellt.
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Dann
wird die Sensortemperatur auf der Sensorreferenztemperatur Ta0 fixiert
(die Ausgabe des Temperatursensors 2 ist der Referenzwiderstandswert
R0), die Temperatur Tx des Messobjekts geändert und die Änderungsgröße der Änderung ΔE der Sensorausgabe
zu dieser Zeit gemessen und, wie in 6 gezeigt,
aufgetragen. Der auf diese Weise gemessene Graph der 6 zeigt
den Beitrag ΔTx
= g(ΔE)
zur gemessenen Temperatur, wenn die Differenz ΔE der Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1,
die die Querachse ist, gegenüber
der Sensorreferenzausgabe E0 aufgefunden wird. Dieser entspricht
der sensorausgabeabhängigen
Größe. Außerdem entspricht
er, da die Funktion g, die als eine experimentelle Gleichung des
in 6 gezeigten Graphen aufzufinden ist, eine von
der Sensorausgabe abhängige Änderungscharakteristik
hat, der Berechnungsinformation für die sensorausgabeabhängige Größe.
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Andererseits
wird die Temperatur eines Messobjekts bei der Messobjekt-Referenztemperatur T0
fixiert, die Sensortemperatur Ta (die Ausgabe des Temperatursensors 2,
die zu dieser Zeit festzustellen ist, ist der Widerstandswert R)
geändert
und die Größe der Änderung ΔE der Sensorausgabe
zu dieser Zeit gemessen und, wie in 7 gezeigt,
aufgetragen. Der auf diese Weise gemessene Graph der 7 zeigt
den Beitrag ΔE
= f(ΔR)
zur Sensorausgabe, wenn die Differenz ΔR der Aus gabe R des Temperatursensors 2,
die die Querachse ist, gegenüber dem
Referenzwiderstandswert R0 (Ausgabe des Temperatursensors 2 mit
der Sensorreferenztemperatur Ta0) aufgefunden wird. Da ferner die
Ordinate den Beitrag ΔE
zur Sensorausgabe in 7 darstellt, ist es erforderlich,
die Einheit in eine Temperatur umzuwandeln, wenn der Beitrag zur
gemessenen Temperatur aufgefunden wird. Da diese Funktion f die Änderungscharakteristik
ist, die von der Sensortemperatur abhängig ist, entspricht sie der
Berechnungsinformation für
die sensortemperaturabhängige
Größe.
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Die
in 6 oder in 7 gezeigte
experimentelle Gleichung kann mit einem linearen oder quadratischen
Ausdruck oder einem höheren
Polynom und dergleichen ausgedrückt
werden, indem experimentelle Werte, wie oben beschrieben, gesammelt
werden, und indem eine Methode, wie eine Methode der kleinsten Quadrate,
verwendet wird. Unter Berücksichtigung
der Belastung der CPU 5 infolge der Komplexität der Berechnung
wird jedoch ein biquadratisches oder geringeres Polynom bevorzugt. Diese
experimentellen Gleichungen zeigen die Nachweischarakteristik der
Temperaturmessung, die jedes Strahlungsthermometer hat, da sie jedoch
als ein Relativwert gegenüber
dem Referenzpunkt (E0, Ta0) berechnet wird, wird sie „Änderungscharakteristik" genannt.
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Beim
Abgleichen des Strahlungsthermometers bewahrt die CPU 5 einen
Koeffizienten, der die auf diese Weise aufgefundene Änderungscharakteristik
definiert, in dem Speicher 9 auf (ein aus 6 aufzufindender
Koeffizient der Änderungscharakteristik
ist die Berechnungsinformation für
die sensorausgabeabhängige
Größe, und
ein aus 7 aufzufindender Koeffizient
der Änderungscharakteristik, dessen
Einheit auf die Messtemperatur umgewandelt wird, entspricht der
sensortemperaturabhängigen Größenberechnungsinformation).
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Im
Messschritt der Messobjekttemperatur eines Messobjekts berechnet
die CPU 5 zuerst Relativwerte der Sensorausgabe E des Infra rotstrahlungssensors
und der Ausgabe R des Temperatursensors gegenüber dem Referenzpunkt (E0,
R0). Dann berechnet die CPU 5 eine sensorausgabeabhängige Größe und eine
sensortemperaturabhängige
Größe, die Änderungsgrößen sind
gegenüber
der Messobjekt-Referenztemperatur
T0, die als Referenz verwendet wird, anhand der Berechnungsinformation
für die
sensorausgabeabhängige
Größe und der
Berechnungsinformation für
die sensortemperaturabhängige
Größe, die
im Speicher 9 aufbewahrt werden, und kann die Messobjekttemperatur
Tx eines Messobjekts berechnen.
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Beispiel der
Arbeitsweise eines Strahlungsthermometers
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Ein
Beispiel der Gesamtarbeitsweise eines Strahlungsthermometers, das
wie oben aufgebaut ist, wird als nächstes unter Verwendung des
Flussdiagramms der 2 beschrieben.
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Wenn
der EIN/AUS-Schalter 1 eingeschaltet wird (Schritt S101,
nachfolgend abgekürzt
als S101) liest die CPU 5 zunächst die Sensorreferenzausgabe R0
des Infrarotstrahlungssensors 1 zur Zeit des Abgleichens
aus dem Speicher 9 aus (S102). Dann liest die CPU 5 die
Ausgabe (den Referenzwiderstandswert R0) des Temperatursensors 2 bei
der Sensorreferenztemperatur Ta0 aus dem Speicher 9 aus (S103).
Ferner liest die CPU 5 die Messobjekt-Referenztemperatur
T0 zur Zeit des Abgleichens aus dem Speicher 9 aus (S104).
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In
diesem Zustand wird eine (nicht gezeigte) Sonde des Strahlungsthermometers
in eine Ohröffnung
eingeführt
und der Messschalter 8 gedrückt, um die Messung zu beginnen
(S105), und die CPU 5 erhält die Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1 und
die Ausgabe R des Temperatursensors 2 über den A/D-Wandler 4 (S106).
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Dann
berechnet die CPU 5 die Differenz ΔR der Ausgabe R des Temperatursensors 2 gegenüber dem
Referenzwiderstandswert R0 (S107). Dann berechnet die CPU 5 die
Differenz ΔE
der Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1 gegenüber der
Sensorreferenzausgabe E0 (S108). Die CPU 5 findet dann
die sensortemperaturabhängige
Größe E1 = f(ΔR) aus der
Differenz ΔR
der Ausgabe des Temperatursensors 2 gemäß der experimentellen Gleichung,
die aus dem Ergebnis der 7 aufgefunden ist, auf (S109).
Die CPU 5 findet ferner die sensorausgabeabhängige Größe g(ΔE) aus der
Differenz ΔE
der Ausgabe des Infrarotsensors 1 auf und addiert sie zur
sensortemperaturabhängigen
Größe E1 des
Temperatursensors 2 und bezeichnet sie als E2 (S110), findet
die Messtemperaturänderungsgröße ΔT durch Umwandeln
der Einheit von E2, die das Additionsergebnis aus der sensortemperaturabhängigen Größe und der
sensorausgabeabhängigen
Größe ist,
in Temperatur auf (S111), und findet die Temperatur Tx eines Messobjekts
durch Addieren der aufgefundenen Relativänderungsgröße ΔT der Messobjekttemperatur zur
Messobjekt-Referenztemperatur T0 auf (S112).
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Da,
wie oben beschrieben, die Temperatur eines Messobjekts als Relativgröße gegenüber der Messobjekt-Referenztemperatur
T0 zur Zeit des Abgleichens gemessen wird, wird es möglich, den
Einfluss der absoluten Genauigkeit des Infrarotsensors 1 und
des Temperatursensors 2 zu verringern, und es kann ein
Strahlungsthermometer mit hoher Präzision, das stabil ist, ohne
von der Charakteristik eines jeden Sensors abhängig zu sein, geschaffen werden. Dies
dient zum Auffinden einer Relativänderungsgröße gegenüber dem Referenzpunkt (E0,
Ta0) (entsprechend dem Pfeil 102 der 5)
auf der tatsächlich
gemessenen Änderungscharakteristik
(dem gestrichelten Liniengraph 100 der 5,
der geraden Linie 103 der 6 und der
geraden Linie 104 der 7) aus 5 bis 7.
Daher sind, verglichen mit dem Fall, wo sie durch die gerade Linie 101 der 5,
die durch den Logikausdruck (Gleichung 1) angegeben wird, aufgefunden
wird, sowohl die Nachweisempfindlichkeit, die dem Koeffizienten
L entspricht, als auch die Lücke
der E-Achse am Ursprung exakt justierbar.
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Abwandlungsbeispiele
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Die
Differenz ΔR
der Ausgabe des Temperatursensors wird in dieser Ausführungsform
einmal in die Ausgabeänderung
E1 des Infrarotsensors umgewandelt, wenn die Relativänderungsgröße ΔT der Temperatur
eines Messobjekts aufgefunden wird, dies ist jedoch lediglich ein
Beispiel für
die Umwandlung einer Einheit, und die vorliegende Erfindung beschränkt sich
nicht auf diese Verarbeitung. Beispielsweise kann die Temperatur
Tx aufgefunden werden, indem die Einheit der Differenz ΔE der Ausgabe
des Infrarotstrahlungssensors 1 und der Differenz ΔR der Ausgabe
des Temperatursensors 2 direkt in die Relativtemperaturänderung
eines Messobjekts umgewandelt werden und jede von diesen zur Messobjekt-Referenztemperatur
T0 addiert wird (Berechnungsmethode wie in Gleichung 3).
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Das
heißt,
die vorliegende Erfindung wird nicht durch die Reihenfolge der Einheitenumwandlung
beschränkt,
sondern kann letztlich die Relativänderungsgröße zur Messobjekt-Referenztemperatur
T0 durch Addieren des Beitrags der Differenz ΔE der Ausgabe des Infrarotstrahlungssensors 1 und des
Beitrags der Differenz ΔR
der Ausgabe des Temperatursensors 2 nach Gleichmachen der
einzelnen Einheiten auffinden.
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Außerdem können, obwohl
nur ein Punkt als Daten des Justierpunkts (T0, E0, Ta0) in obiger
Ausführungsform
verwendet wird, Daten an einer Mehrzahl von Justierpunkten im Speicher 9 gespeichert und
zur Verwendung gemäß einem
Messobjekt ausgewählt
oder zu Daten einer Anzahl von Justierpunkten (T0, E0, Ta0) kombiniert
werden.
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Obwohl
ferner eine Thermosäule
als Infrarotstrahlungssensor 1 bei dieser Ausführungsform
verwendet wird, kann auch ein pyroelektri scher Sensor verwendet
werden.
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Obwohl
ferner ein Thermistor als Temperatursensor 2 bei dieser
Ausführungsform
verwendet wird, beschränkt
sich der Temperatursensor 2 der vorliegenden Erfindung
nicht auf einen Thermistor, sondern kann auch andere temperaturmessende
Widerstandsmaterialien (Metallmaterialien mit bekannten Temperaturkoeffizienten
des Widerstands), einen Halbleitersensor, wie etwa eine Diode, oder
ein Thermoelement verwenden.
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Obwohl
ferner der Temperatursensor 2 in dieser Ausführungsform
direkt durch den A/D-Wandler 4 umgewandelt wird, kann er
auch durch einen Verstärker
vorab verstärkt
werden, wenn die Ausgabe des Temperatursensors 2 schwach
ist.
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Ausführungsform
1 wendet die vorliegenden Erfindung auf ein Thermometer mit einer
Sonde als einem Element an, die Verwirklichung der Erfindung beschränkt sich
jedoch nicht darauf. Beispielsweise kann die Erfindung auch in der
Messung einer anderen Temperatur als einer menschlichen Körpertemperatur
in Fällen
wie der Messung geothermischer Temperatur oder der Messung von Temperatur
beruhend auf Infrarotstrahlung eines spezifischen Messobjekts, das
Atmosphäre
ausgesetzt ist, umgesetzt werden. Kurz gesagt, beschränkt sich
die Erfindung nicht auf eine physische Konfiguration der einzelnen Sensoren
zur Feststellung eines Signals, sondern hat ein Charakteristikum
im Vorgang zur Verarbeitung eines von den einzelnen Sensoren abgenommenen
Signals.
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Ausführungsform 2
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Ein
Strahlungsthermometer der Ausführungsform
1 findet Unterschiede gegenüber
einem Referenzwert von Ausgaben sowohl des Infrarotstrahlungssensors 1 als
auch des Temperatursensors 2 auf und be rechnet beruhend
auf diesen Differenzen eine sensortemperaturabhängige Größe und eine sensorausgabeabhängige Größe für die Messobjekt-Referenztemperatur
T0 zur Auffindung der Temperatur eines Messobjekts. Andererseits
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung auch nur die Sensortemperatur oder die Sensorausgabe allein
mit einer Änderungsgröße gegenüber dem
oben erwähnten
Referenzwert aufgefunden werden und die andere durch die herkömmliche
Messung. Das heißt,
die Temperatur eines Messobjekts kann beruhend auf einer relativsensortemperaturabhängigen Größe gemessen
werden, die mit der Berechnungsinformation für die sensortemperaturabhängige Größe aus der Differenz
einer mit dem Sensortemperaturmessabschnitt gemessenen Sensortemperatur
gegenüber der
Sensorreferenztemperatur, wenn ein Messobjekt gemessen wird, und
der Sensorausgabe des Infrarotstrahlungssensors 1 berechnet
wird.
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Diese
Beziehung wird durch die folgende Gleichung 4 angegeben Temperatur Tx = T(Ta), E)
=
T(Ta0, E) + f(ΔTa,
E)
≈ T(Ta0,
E) + f(ΔTa,
E0) Gleichung 4wobei
T(Ta, E) eine Gleichung zum Auffinden der Temperatur eines Messobjekts
gemäß der Stefan-Boltzmann-Regel
ist. Beispielsweise ist, wenn Gleichung 1 als Logikausdruck verwendet
wird, T(Ta, E) = (E/L + Ta4)1/4;Ta0 ist eine Sensorreferenztemperatur
des Infrarotstrahlungssensors 1,
ΔTa ist eine Differenz der Sensortemperatur
des Infrarotstrahlungssensors gegenüber der Referenztemperatur,
und
f(ΔTa,
E) ist eine relativsensortemperaturabhängige Größe. Da f(ΔTa, E0) mit auf E0 fixierter
Sensorausgabe E verwendet werden kann, wenn die Funktion f nicht
stark von E abhängt,
kann Infrarotstrahlung eines Messobjekts, das eine Referenz mit
einer spezifischen Temperatur sein soll, beruhend auf der Beziehung
zwischen der Sensorausgabe des Infrarotstrahlungssensors 1,
wenn sie bei verschiedenen Sensortemperaturen an einer Anzahl von
Punkten festgestellt wird, und seiner Sensortemperatur experimentell
aufgefunden werden.
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Zusätzlich ist
unten Gleichung 5, in welcher die Sensortemperatur Ta aus obiger
Gleichung 4 als Ausgabe R des Thermistors, der der Temperatursensor 2 ist,
umgeschrieben ist, wiedergegeben. Ein Strahlungsthermometer dieser
Ausführungsform dient
zur Berechnung einer Temperatur gemäß dieser Gleichung 5, wobei
die CPU 5 ein Steuerprogramm ausführt. Ferner wird die relativsensortemperaturabhängige Größe f(ΔR, E0) durch „f(ΔR)" dargestellt. Temperatur Tx ≈ T(R0, E)
+ f(ΔR)'' Gleichung
5
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Ausführungsform
2 ist identisch in Aufbau und Wirkungsweise, abgesehen von dem durch
die CPU 5 ausgeführten
Steuerprogramm, zu Ausführungsform
1 und wird, wenn nötig,
unter Verwendung von 1 beschrieben. Außerdem wird
auch bei dieser Ausführungsform
angenommen, dass der Temperatursensor ein Messobjekt der Messobjekt-Referenztemperatur
T0 gemessen und die Sensorreferenzausgabe E0 des Infrarotstrahlungssensors 1 bei der
Sensorreferenztemperatur Ta0 aufgefunden hat (die Ausgabe des Temperatursensors 2 ist
dabei der Referenzwiderstandswert R0).
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3 ist
ein Flussdiagramm, welches Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei einem Strahlungsthermometer
des in 3 gezeigten Flussdiagramms liest wie in Ausführungsform
1 die CPU 5, wenn der EIN/AUS-Schalter 1 eingeschaltet
wird (S121), die Ausgabe R0 des Temperatursensors 2 bei
der Abgleichung aus dem Speicher aus (S122).
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In
diesem Zustand wird, wenn eine (nicht gezeigte) Sonde des Strahlungsthermometers
in eine Ohröffnung
eingeführt
ist, der Messschalter 8 gedrückt, um die Messung zu starten
(S123). Zunächst nimmt
die CPU 5 die Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1 und
die Ausgabe R des Temperatursensors 2 über den A/D-Wandler 4 auf
(S124).
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Dann
berechnet die CPU 5 die Differenz ΔR der Ausgabe R des Temperatursensors 2 gegenüber dem
Referenzwiderstandswert R0 (S125). Ferner findet die CPU 5 die
sensortemperaturabhängige
Größe E1 =
f(ΔR) anhand
der Differenz ΔR
der Ausgabe des Temperatursensors 2 unter Verwendung der Änderungscharakteristik
(die der Berechnungsinformation für die sensortemperaturabhängige Größe entspricht),
die aus dem Ergebnis der 7 aufgefunden ist, auf (S127),
findet ferner T(R0, E) anhand der Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1 auf,
und findet die Messgröße E2 durch
Addieren der oben erwähnten
sensortemperaturabhängigen
Größe E1 auf (S128)
und findet die Temperatur Tx eines Messobjekts durch Umwandeln von
E2 in eine Temperatur auf.
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Ausführungsform 3
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Ein
Strahlungsthermometer obiger Ausführungsform 2 dient zur Auffindung
der sensortemperaturabhängigen
Größe anhand
der Differenz der Ausgabe R des Temperatursensors 2 gegenüber dem Referenzwiderstandswert
R0 und zum Messen der Temperatur eines Messobjekts mit der sensortemperaturabhängigen Größe und der
Sensorausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1. Andererseits
kann die Tem peratur eines Messobjekts beruhend auf der relativsensorausgabeabhängigen Größe, berechnet beruhend
auf der sensorausgabeabhängigen
Größenberechnungsinformation aus der Differenz der Sensorausgabe,
die mit dem Infrarotstrahlungssensor 1 zur Zeit der Messung
eines Messobjekts gemäß der Sensorreferenzausgabe
festzustellen ist, und der mit dem Sensortemperaturmessabschnitt
gemessenen Sensortemperatur gemessen werden.
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Diese
Beziehung wird durch die folgende Gleichung 6 angegeben. Temperatur Tx = T(Ta, E)
=
T(Ta, E0) + g(Ta, ΔE)
≈ T(Ta, E0)
+ g(Ta0, ΔE) Gleichung 6wobei
E0 eine Sensorreferenzausgabe des Infrarotstrahlungssensors 1 ist,
ΔE eine Differenz
der Sensorausgabe gegenüber
der Sensorreferenzausgabe ist,
g (TaΔE) eine relativsensorausgabeabhängige Größe ist.
Da g(Ta0, ΔE)
bei auf Ta0 fixierter Sensortemperatur Ta verwendet werden kann,
wenn die Funktion g nicht stark von Ta abhängt, kann Infrarotstrahlung
eines Messobjekts, das eine Referenz bei verschiedenen Messobjekttemperaturen
an einer Anzahl von Punkten sein soll, beruhend auf der Beziehung
zwischen der Sensorausgabe des Infrarotstrahlungssensors, wenn sie
bei einer spezifischen Sensortemperatur festgestellt wird, und der
Messobjekttemperatur zu dieser Zeit experimentell aufgefunden werden.
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Zusätzlich ist
unten Gleichung 7, in welcher die Sensortemperatur Ta aus obiger
Gleichung 6 als Ausgabe R des Thermistors, der der Temperatursensor 2 ist,
umgeschrieben ist, wiedergegeben (ferner ist Ta0 als R0 umgeschrieben).
Bei einem Strahlungsthermometer dieser Aus führungsform führt die CPU 5 ein
Steuerprogramm aus und berechnet eine Temperatur gemäß dieser
Gleichung 7. g(R0, ΔE) wird
jedoch durch „g(ΔE)" dargestellt. Temperatur Tx ≈ T(R, E0)
+ g(ΔE)'' Gleichung
7
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Die
Ausführungsform
2 ist abgesehen von einem durch die CPU 5 auszuführenden
Steuerprogramm identisch in Aufbau und Wirkungsweise zu Ausführungsform
1 und wird unter Verwendung von 1, wenn
nötig,
beschrieben. Außerdem
wird auch bei dieser Ausführungsform
angenommen, dass der Temperatursensor ein Messobjekt der Messobjekt-Referenztemperatur
T0 gemessen und die Sensorreferenzausgabe E0 des Infrarotstrahlungssensors 1 bei
der Sensorreferenztemperatur Ta0 aufgefunden hat (die Ausgabe des
Temperatursensors 2 ist dabei der Referenzwiderstandswert R0).
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4 ist
ein Flussdiagramm, welches Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei einem Strahlungsthermometer
des in 4 gezeigten Flussdiagramms liest, ähnlich wie
bei Ausführungsform
1, die CPU 5, wenn der EIN/AUS-Schalter 1 eingeschaltet
wird (S141), die Sensorreferenzausgabe E0 des Infrarotstrahlungssensors 1 zur
Zeit der Abgleichung aus dem Speicher 9 aus (S142).
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In
diesem Zustand wird, wenn eine Sonde des Strahlungsthermometers
in eine Ohröffnung
eingesetzt ist und der Messschalter 8 gedrückt wird,
die Messung gestartet (S143). Zuerst nimmt die CPU 5 die
Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1 und die Ausgabe
R des Temperatursensors 2 über den A/D-Wandler 4 auf
(S144).
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Die
CPU berechnet dann die Differenz ΔE der
Ausgabe E des Infrarotstrahlungssensors 1 gegenüber der
Sensorreferenzausgabe E0 (S146). Dann findet die CPU E1 = T(R, E0)
anhand der Ausgabe R des Temperatursensors 2 auf (S147).
Die CPU findet die sensorausgabeab hängige Größe g(ΔE) anhand der Differenz ΔE der Ausgabe
des Infrarotsensors 1 unter Verwendung der Änderungscharakteristik
(entsprechend der Berechnungsinformation für die sensorausgabeabhängige Größe), die anhand
des Ergebnisses der 6 aufgefunden wird, auf, und
findet E2 durch Addieren derselben zu E1 auf (S148), findet die
Temperatur Tx durch Umwandeln von E2 in eine Temperatur auf (S149)
und zeigt die schließlich
aufgefundene Temperatur auf einer Flüssigkristallanzeige an (S150).
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Wie
oben beschrieben, wird, da ein Strahlungsthermometer gemäß der vorliegenden
Erfindung sich nicht auf die Verbesserung der absoluten Präzision beruhend
auf einem logischen Ausdruck verlässt, sondern die Änderungsgröße gegenüber einem
Referenzpunkt misst und eine Relativtemperatur beruhend auf der Änderungsgröße berechnet, eine
exakte Messung möglich,
ohne von der absoluten Präzision
eines Infrarotstrahlungssensors oder eines Temperatursensors abzuhängen.
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Man
sieht also, dass ein Strahlungsthermometer geschaffen wird. Für einen
Fachmann ist es einsichtig, dass die vorliegende Erfindung auch
anders als mit den bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt werden
kann, welche für
Zwecke einer Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung präsentiert
wurden, und dass die vorliegende Erfindung allein durch die Ansprüche, die
folgen, beschränkt wird.