基于新测温原理的快速预测型温度计制造技术

一种基于新测温原理的快速预测型温度计。含有温度传感器，高输入阻抗、低噪声、低漂移的放大器，ＡＤ转换器，单片计算机和数码显示器的低价位和性能稳定的测温装置。它不依据热平衡原理，而从传热方程中导出的包含了传热系统中各个热参数的升温曲线上取出的温度检测值、以及和该温度值对应的导数值，快速地外推出待测物表面深处温度的预测型普适型温度计。可用于快速测出物体的表面温度和温度分布，某温度系统的短期温变预测，也可以用于要求无震荡温控系统的温度控制过程。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种温度测量装置，特别是一种基于新测温原理的快速预测型温度计。它从测量传热过程初期的温度数值和相应导数值，削去包含在这些可测量变量中的系统热参数如测温探头的质量、待测温物的集中参数质量和二者相应的比热容，温度计与被测温物之间的热耦合参数等，从而依靠少数温度检测数据，快速外推出待测温物表面深层处稳定不变温度的普适型接触测温的温度计。在接触测温过程中，人们总是根据热平衡原理进行温度测量。即温度计与待测温物体接触足够长时间后，二者温度相等，根据温度计本身某个与温度一一对应的特性参数的变化，指示出温度计本身温度的数值。用这种测温方法得到的温度数值与测温计的特性及温度计与待测温物之间的接触方式无关，即与所用的温度计无关、与测温的方式无关。根据热平衡原理做出的温度计，都是普适型温度计。要提高基于热平衡原理的温度计的测温速度，只有①减小温度计的质量和比热容，以减小温度计的热惯性，使温度计的温度迅速变化；②加大温度计与待测温物之间的热耦合，以加大单位时间内的传热量，缩短热传导过程。但这类温度计的指示不稳定，易于在环境温度微小改变的条件下，指示出不同的温度值。所以用改变上述两类条件的办法以缩短测温时间做出的温度计，到一定限度以后就没有实用价值了。为了大幅度缩短接触型测温装置的测温时间，人们曾利用温度传感器与待测温物体接触时，在温度传感器的温度变化过程中测得的一些温度点，再利用计算机的强大计算能力，做温升曲线的曲线拟合，再用拟合曲线外推出终温，如文献US 4541734、EP 0338076等中所述的那样。正是因为是作全曲线拟合，为了减小测量误差，必须在较大的区间内作多点采样，这使得测量时间不能很短；温度传感器与待测温物之间的接触时间较长，对于那些比热容较小，质量较小的待测温物，将导至温度较大的下降，从而引出另一个描写待测物温度的状态方程。问题变成了联立求解温度传感器和待测温物两个状态的联立方程组，使得问题更加复杂，计算量增大。文献EP 0338076中详细讨论了此情况。另外，由于动用了价格较贵的计算机，从而不利于它作为普通测温工具的广泛使用。本专利技术的设计思路是，当温度计的测温探头与待测温物接触时，若二者的温度不相等，就会有热量的传送，使得探头的温度发生变化。探头温升曲线的形状由二者的比热容、质量以及二者之间的热耦合系数决定，温升曲线中包含了这些参数。因而可以用温升曲线前段上的少数测量值，取代这些参数。使得温度的测量值与温度计及待测温物的特性参数无关，使得这种温度计成为普适性温度计。并达到了快速测温的目的。本专利技术的目的是不从热平衡原理、而从传热过程出发，不做全曲线的拟合，而从描写传热过程的线性常微分方程出发，在线性外推中利用从温升曲线中得到的少量数据，消去传热系统中各自的比热容、质量、和相互间的热耦合系数等参数，再利用价格低廉的单片机做简单的计算，外推出终温。这种线性外推计算可以简化计算、缩短检测时间、提高结果的准确度。为了达到上述目的，本专利技术的基于新测温原理的快速预测型温度计的技术依据是当测温探头与某一待测温物体接触时，若测温探头的温度小于待测温物体的温度，并且测温探头除去与待测物表面接触的小面积之外，其余部分都覆盖绝热层，以减小探头对环境的热损失。探头如图2所示，其中1是温度传感器，2是引线，3是绝热头，4是绝热套，5是弹簧，它保持传感器在检测过程中与被测物表面之间的压力不变，以保持在两个温度检测点之间二者的热耦合系数不变，6是手柄。如此测温探头的温度状态就由一阶线性常微分方程组m1c1dθdt=k1(Ts-θ)-k2(θ-T)---(1)]]>m2c2dTdt=k2(θ-T)---(2)]]>描写。式中Ts是待测温物中距表面有一定深度内部处的温度，m1是待测温物表面与测温探头接触面及距此表面一定深度附近处一小块物体的集中参数质量，c1是这一小块物体的集中参数比热容，k1是被测温点表面深处与待测温点表面之间的热耦合系数，θ是测温物的表面温度；m2是测温探头的质量，c2是测温探头的比热容，k2是测温探头与待测温物表面之间的热耦合系数，T是测温探头的温度。将(1)式变形为m1c1dθdt+(k1+k2)θ=k2T+k1Ts]]>后再变形为k2T+k1Ts=m1c1e-k2+k1m2c2tddt;]]>而后将(2)式变形为m2c2e-k2m2c2tddt=k2θ,]]>将此式中的θ代入前式，便得到以 为变元的常系数二阶常微分方程(ek1+k2m1c1θ)′′+(k1+k2m1c1-k2m2c2)(ek1+k2m1c1tθ)′-k22m1m2c1c2(ek1+k2m1c1tθ)-k1k2Tsm1m2c1c2ek1+k2m1c1t=0]]>根据常微分方程的一般理论，这个方程的函数 有特解 或θ＝Ts将这个特解代入式(2)，便可解出温度计探头温度方程的通解为T=Ae-k1+k2m1c4t+Ts---(3)]]>式中A为积分常数。初始条件是t＝0时T＝T0。所以上式可以写成T=T0ek1+k2m1c2t+Ts(1-e-k1+k2m1ct)---(4)]]>但(4)式中包含了许多系统的特性参数如mi、ci、ki(i＝1、2)，不便于测量。在测量中应寻找其他办法。从(3)式可以看出，若在t1、t2两个时刻测得温度值为T1、T2，温度的导函数的数值为T1′、T2′，则在任意时刻t有关系T2′-T1′T′-T1′=ek2-k1m1c1t2-ek2-k2m1c1t1ek2-k1m1c1t-ek2-k2m1c1t1=T2-T1T=T1,]]>从而有关系T=T′-T1′T2′-T1(T2-T1).]]>当时间t→∞时温度计的温度达到稳定的最终平衡温度，即温度数值趋于平行于横轴的直线T＝T∞，这时有T∞′＝0，于是得到Tt→∞=T∞=Ts=T1′T1′-T2′(T2-T1)---(A)]]>从(4)式中让t→∞，也可以直接得到Tt→∞＝Ts这个结果。如此，便快速地求得了物体的距待测物表面一定深度处的温度。本专利技术的基于新测温原理的快速预测型温度计在温度测量中可显示出普适性及其他方面很大的优越性。它可以快速测量物体表面温度的分布、可以在温控过程中快速而准确地预测温度的变化，使得系统温度稳定地沿着预定的升温曲线运行，也可以对温度变化的环境作出短期温变预测。本专利技术将通过实施实例结合附图加以说明如图2所示。温度传感器1送出的信号经过零点漂移、温度飘移及时间飘移均很小的三单元或一单元的运算仪器放大器2进行阻抗变换和放大，调整其放大倍数，使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于新测温原理的快速预测型温度计，含有一个温度漂移、零点漂移和时间漂移都很小的仪器放大器，和一个含有多路ＡＤ转换器和根据热传导方程导出的根据温升曲线上两点的温度、以及相应的导数值算出待测物表面深处温度计算程序的单片机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张云鹗，张智华，
申请(专利权)人：张智华，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]