CN101936775A - 风筒出风口温度场的组合式测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风筒出风口温度场的组合式测量装置及方法。其中，导轨固定在底座上，第一支架、第二支架、第三支架安装在导轨上且与导轨形成滑动配合。风靶安装于第一支架的水平轴上且为旋转配合，水平轴穿过风靶几何中心且与风靶的法线垂直；风筒通过第二支架安装在导轨上；在线式红外热像仪通过第三支架安装在导轨上；风筒位于风靶和在线式红外热像仪间，风筒中心线穿过风靶的几何中心，风筒出风口以及在线式红外热像仪镜头与风靶上热电偶的测量端相对，在线式红外热像仪镜头的光轴穿过风靶的几何中心；在线式红外热像仪镜头位于风筒出风口上方；风靶上热电偶与多路采集仪电连接，多路采集仪、在线式红外热像仪分别与上位机通过数据线连接。

Description

风筒出风口温度场的组合式测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量温度场的装置及方法，具体涉及一种风筒出风口温度场的组合式测量装置及方法。

背景技术

风筒是应用领域最多、普及最为广泛的电热类家用电器产品之一。基于不同的需求，风筒主要用于头发的干燥和整形，也可供实验室、理疗室及工业生产、美工等方面作局部干燥、加热和理疗之用。尽管，风筒可能用途不同、型式不同或功能不同，但是，其对温度场的温度分布是最重要的、设计和使用中必须要考虑的问题之一。对温度场的测量主要分为接触式点群分布测量和非接触式面阵直接测量。前者基于热平衡原理测量被测介质温度，空间分布的温度计(如热电偶或热电阻等)和被测介质直接接触，测温精度高；后者基于热辐射原理，主要包括红外辐射传感器和CCD工业相机等，常温时测温精度低，但适合非接触式温度场测量，实时性好，且测量过程不干扰被测温度场。

目前对风筒出风口温度场测量方法主要为基于接触式温度传感器(热电偶、热电阻等)的固定板上若干测试点的定点测量。这种接触式点群分布测量方法具有测试设备结构简单、价格低廉、测温精度高、受外界影响小等优点。但是，这种方法仅以少数几个测量点来表征温度场，无法测得温度场的全部特征。例如，当温度场极值区域没有设置测量点，温度场的极值温度就无法测得。另外，受到接触式温度传感器的响应时间限制，当风场或温度场发生变化时，这种测量方法无法实时获得温度场的变化信息。

红外辐射传感器虽然可直接测量具有一定面积的二维温度场(热电偶、热电阻等传统温度传感器只能测量单点的温度)，但受发射率、环境温度、大气湿度、测量距离、周围物体辐射等诸多因素影响，其测温精度往往难以满足实际测温需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风筒出风口温度场的组合式测量装置及方法，以用于实时精确测量风筒出风口温度场的温度分布和温度场的特征参数。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明风筒出风口温度场的组合式测量装置包括底座、导轨、嵌有热电偶的风靶、风筒、在线式红外热像仪、第一支架、第二支架、第三支架、多路采集仪和上位机；导轨固定在底座上；第一支架安装在导轨上，风筒通过第二支架安装在导轨上，在线式红外热像仪通过第三支架安装在导轨上；第一支架、第二支架、第三支架分别与导轨滑动配合；第一支架设有水平轴，风靶安装于水平轴上，风靶与水平轴为旋转配合，水平轴穿过风靶的几何中心且水平轴与风靶的法线垂直；风筒位于风靶和在线式红外热像仪之间，风筒的出风口与风靶上的热电偶的测量端相对，风筒的中心线穿过风靶的几何中心；在线式红外热像仪的镜头与风靶上的热电偶的测量端相对，在线式红外热像仪的镜头的光轴穿过风靶的几何中心；在线式红外热像仪的镜头位于风筒的出风口的上方；风靶上的热电偶与多路采集仪电连接，多路采集仪与上位机通过数据线连接，上位机与在线式红外热像仪通过数据线连接。

利用本发明的组合式测量装置测量风筒出风口温度场的方法是包括如下步骤：

1)进行在线式红外热像仪的角度测温实验，确定风靶的法线与在线式红外热像仪的光轴之间的夹角的允许范围，以使在线式红外热像仪的测温精度满足设定要求；

2)将风靶绕第一支架的水平轴旋转一角度后固定，使得风靶与竖直方向的夹角与步骤1)得到的风靶的法线与在线式红外热像仪的光轴之间的夹角的允许范围对应；

3)开启风筒的电源对风靶的出风口的温度场进行测量，上位机实时获取风靶上的各热电偶所测得的点温度以及在线式红外热像仪捕获到的风靶的红外温度图像；

4)上位机将采集到的风靶的红外温度图像按像素点转换为温度矩阵，再利用同一时刻由风靶上的各热电偶所测得的点温度与所述温度矩阵中对应的红外点温度的温度差的平均值对所述温度矩阵进行整体修正；

5)根据步骤4)得到的修正后的温度矩阵获得风靶的出风口的温度场特征，所述温度场特征包括平均温度、最高温度、最低温度、最大温度梯度、温度极值和温度极值点数目，最后将所述修正后的温度矩阵和温度场特征作为测量结果输出。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明测量装置及其测量方法结合了接触式点群分布测量和非接触式面阵直接测量两种测量方法，实现对风筒出风口的温度场的组合测量；(2)本发明测量装置的风靶、风筒和在线式红外热像仪均安装于导轨上，便于调整风筒和风靶的相对位置，进而能够测量风筒出风口温度场各轴向截面的温度分布；(3)本发明测量装置的风靶由于与水平轴旋转配合，因此可按一定角度旋转，能在保证在线式红外热像仪的测温精度的前提下测量风筒出风口温度场各个斜截面温度的分布；(4)本发明用测温精度和稳定性较高的接触式点群分布测量结果修正非接触式面阵直接测量结果的方法，能够精确测量风筒出风口温度场各截面的温度分布和温度场的特征参数，克服了现有技术无法测得风筒出风口温度场的精确温度分布与温度场特征的不足。

附图说明

图1是本发明测量装置的示意图。

图2是本发明测量装置的工作原理示意图。

图中：1、底座，2、导轨，3、表面嵌有热电偶的风靶，4、风筒，5、在线式红外热像仪，6、多路采集仪，7、上位机，8、第一支架，81、水平轴，9、第二支架，10、第三支架，11、热电偶连接总线，12、RJ-45数据线，13、RS-232数据线，14、热电偶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明测量装置包括底座1、导轨2、嵌有热电偶14的风靶3、风筒4、在线式红外热像仪5、第一支架8、第二支架9、第三支架10、多路采集仪6和上位机7。其中，导轨2固定在底座1上；第一支架8设有水平轴81，风靶3安装于水平轴81上，水平轴81穿过风靶3的几何中心且水平轴81与风靶3的法线垂直，风靶3与水平轴81为旋转配合。第一支架8、第二支架9、第三支架10分别安装在导轨2上且与导轨2形成滑动配合。风筒4固定于第二支架9上，由此风筒4通过第二支架9安装在导轨2上；同样，在线式红外热像仪5通过第三支架10安装在导轨2上。风筒4位于风靶3和在线式红外热像仪5之间，风筒4的中心线穿过风靶3的几何中心，且风筒4的出风口与风靶3上的热电偶14的测量端相对。在线式红外热像仪5的镜头与风靶3上的热电偶14的测量端相对，在线式红外热像仪5的镜头的光轴穿过风靶3的几何中心；在线式红外热像仪5的镜头位于风筒4的出风口的上方；风靶3上的热电偶14与多路采集仪6电连接，多路采集仪6与上位机7通过RJ-45数据线连接，上位机7与在线式红外热像仪5通过RJ-45数据线连接。

图2所示的本发明测量装置中的风靶3为矩形，由于风靶3与水平轴81为旋转配合，因此风靶3能够绕第一支架8上的水平轴81旋转。风靶81的表面嵌有若干个热电偶14，热电偶14的数量及其在风靶3上的分布位置可按照具体需求设定，一般不少于5个。热电偶14安装之前应先进行标定，并获得相应的修正表，以便在测温时进行修正。因红外热像仪的测温精度受角度的影响，为了保证在线式红外热像仪5的测温精度满足设定要求(例如，相对误差可预先设定为低于2％)，可由角度实验确定风靶3的法线与在线式红外热像仪5的光轴的夹角α的允许范围。作为本发明的一种实施方式，风靶3由1.6毫米厚的玻璃环氧树脂板制成，热电偶14采用K型热电偶，在线式红外热像仪5可用浙江大立科技股份有限公司生产的DM-60S热像仪。在本实施方式的实验设备条件下，由角度测温实验可得到表1所示的DM-60S热像仪在70℃时红外测温误差随角度α的变化情况。由表1所示的实验结果可以确定，在本实施例中，风靶3的法线与在线式红外热像仪5的光轴的夹角α的允许范围在-50度到50度之间。为了保证风筒4出风口的中心线通过风靶3的几何中心，并且在线式红外热像仪5的有效视野不被风筒4遮挡，在线式红外热像仪5的安装高度应高于风筒4的安装高度，即使在线式红外热像仪5的镜头位于风筒4的出风口的上方。本发明可通过调整在线式红外热像仪5与风靶3的相对位置，以及在线式红外热像仪5与水平面的夹角β，使得在线式红外热像仪5的光轴通过风靶3的几何中心。本发明通过在导轨2上移动调整风筒4或风靶3来调节两者的相对位置，可以测量风筒出风口温度场各轴向截面的温度分布。本发明测量装置的风靶3由于与水平轴81旋转配合，因此风靶3可绕水平轴81按一定角度旋转，能在保证在线式红外热像仪5的测温精度的前提下测量风筒4出风口温度场的各个斜截面温度的分布。

利用本发明的组合式测量装置测量风筒出风口温度场的方法如下：

1)进行在线式红外热像仪5的角度测温实验，确定风靶3的法线与在线式红外热像仪5的光轴之间的夹角α的允许范围，以使在线式红外热像仪5的测温精度满足设定要求。

表1示出了在本发明一种实施例中，由角度测温实验得到的DM-60S热像仪在70℃时红外测温误差随角度α的变化情况。由表1的实验结果可以确定，在本实施例中，设定在线式红外热像仪5测温精度低于2％，此时风靶3的法线与在线式红外热像仪5的光轴的夹角α的允许范围在-50度到50度之间。

表1  DM-60S热像仪在70℃时红外测温误差随角度的变化

2)为保证在线式红外热像仪5达到设定的测温精度，根据风靶3与竖直方向的夹角θ与步骤1)所述夹角α的允许范围的对应关系，将风靶3绕第一支架8的水平轴81旋转一相应角度后固定。本实施例要求在线式红外热像仪5的测温相对误差满足低于2％，而根据夹度α的允许范围可确定，当风靶3与竖直方向的夹角θ在-(50-β)度到(50+β)度之间时，在线式红外热像仪5的测温相对误差可以满足低于2％的要求。其中，β为在线式红外热像仪5的光轴通过风靶3的几何中心时，在线式红外热像仪5与水平面的夹角。由于风靶3可绕水平轴81按一定角度旋转，因此本发明可通过调整风靶3与竖直方向的夹角θ，从而在保证在线式红外热像仪5的测温精度的前提下测量风筒4的出风口温度场的对应各斜截面(即风靶3在与竖直方向形成各夹角θ时，风靶3上安装有热电偶14测量端的表面所在的位置)的温度分布。

本发明测量装置的风靶3由于与水平轴81旋转配合，因此可按一定角度旋转，能在保证在线式红外热像仪5的测温精度的前提下测量风筒4出风口温度场各个斜截面温度的分布。

3)开启风筒4的电源对风筒4的出风口温度场，即风靶3上安装有热电偶14测量端的表面的温度分布进行测量。本发明通过在导轨2上移动风筒4或风靶3来调节两者的相对位置，可以测量风筒4的出风口温度场沿风筒4的中心线方向的与该中心线垂直的各轴向截面的温度分布。

上位机7通过RS-232数据线13和RJ-45数据线12同时采集风靶3上的各热电偶14所测得的点温度以及在线式红外热像仪5捕获到的风靶3的红外温度图像。上位机7事先保存有风靶3上所有热电偶14经过标定得到的修正表(表2给出了本实施方式所用到的单只K型热电偶的温度修正表)，上位机7可通过自动查询修正表来实时修正热电偶14采集到点温度数据。

4)上位机7同时将在线式红外热像仪5捕获的红外温度图像中风靶3所在区域进行边缘检测然后分割图像，将并按像素点转换为温度矩阵，其中，温度矩阵的每一元素与红外图像中风靶3所在区域的每一像素相对应，温度矩阵的每一元素值对应为风靶3上各热电偶14所在位置的红外温度值。上位机7用修正过的各热电偶14所测得的点温度与温度矩阵中同一时刻各热电偶14在所对应的点温度的温度差的平均值对所述温度矩阵进行整体修正，具体修正方法为：上位机7按像素点计算红外温度图像中风靶3上各热电偶14的像素坐标(像素坐标与热电偶14一一对应)，上位机7按照所述的像素坐标从温度矩阵中获取各热电偶14所在位置的红外点温度(红外点温度与各热电偶14一一对应)；计算同一个热电偶14所在位置处，同一时刻利用热电偶14直接测得的点温度值与该同一测温点的红外点温度值的差值，然后取所有热电偶14的上述差值的平均值，以此平均值作为修正值对红外温度矩阵所有元素的温度值进行修正。这种修正方法的依据为：风靶3上各点的发射率以及环境基本相同，发射率以及外界环境因素对红外测温精度的影响在窄温度范围内表现为大致相同的整体偏差。这种修正方法可以获得较为平滑、连续的温度场测温结果。

表2  单只K型热电偶温度修正表

5)上位机7根据步骤4)得到的修正后的温度矩阵统计风靶3的出风口的温度场特征，所述温度场特征包括平均温度、最高温度、最低温度、最大温度梯度、温度极值和温度极值点数目，最后上位机7将所述修正后的温度矩阵和温度场特征作为测量结果输出。

Claims (2)

1.一种风筒出风口温度场的组合式测量装置，其特征在于：包括底座(1)、导轨(2)、嵌有热电偶(14)的风靶(3)、风筒(4)、在线式红外热像仪(5)、第一支架(8)、第二支架(9)、第三支架(10)、多路采集仪(6)和上位机(7)；导轨(2)固定在底座(1)上；第一支架(8)安装在导轨(2)上，风筒(4)通过第二支架(9)安装在导轨(2)上，在线式红外热像仪(5)通过第三支架(10)安装在导轨(2)上；第一支架(8)、第二支架(9)、第三支架(10)分别与导轨(2)滑动配合；第一支架(8)设有水平轴(81)，风靶(3)安装于水平轴(81)上，风靶(3)与水平轴(81)为旋转配合，水平轴(81)穿过风靶(3)的几何中心且水平轴(81)与风靶(3)的法线垂直；风筒(4)位于风靶(3)和在线式红外热像仪(5)之间，风筒(4)的出风口与风靶(3)上的热电偶(14)的测量端相对，风筒(4)的中心线穿过风靶(3)的几何中心；在线式红外热像仪(5)的镜头与风靶(3)上的热电偶(14)的测量端相对，在线式红外热像仪(5)的镜头的光轴穿过风靶(3)的几何中心；在线式红外热像仪(5)的镜头位于风筒(4)的出风口的上方；风靶(3)上的热电偶(14)与多路采集仪(6)电连接，多路采集仪(6)与上位机(7)通过数据线连接，上位机(7)与在线式红外热像仪(5)通过数据线连接。

2.一种利用权利要求1的组合式测量装置测量风筒出风口温度场的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)进行在线式红外热像仪(5)的角度测温实验，确定风靶(3)的法线与在线式红外热像仪(5)的光轴之间的夹角的允许范围，以使在线式红外热像仪(5)的测温精度满足设定要求；

2)将风靶(3)绕第一支架(8)的水平轴(81)旋转一角度后固定，使得风靶(3)与竖直方向的夹角与步骤1)得到的风靶(3)的法线与在线式红外热像仪(5)的光轴之间的夹角的允许范围对应；

3)开启风筒(4)的电源对风靶(3)的出风口的温度场进行测量，上位机(7)实时获取风靶(3)上的各热电偶(14)所测得的点温度以及在线式红外热像仪(5)捕获到的风靶(3)的红外温度图像；

4)上位机(7)将采集到的风靶(3)的红外温度图像按像素点转换为温度矩阵，再利用同一时刻由风靶(3)上的各热电偶(14)所测得的点温度与所述温度矩阵中对应的红外点温度的温度差的平均值对所述温度矩阵进行整体修正；

5)根据步骤4)得到的修正后的温度矩阵获得风靶(3)的出风口的温度场特征，所述温度场特征包括平均温度、最高温度、最低温度、最大温度梯度、温度极值和温度极值点数目，最后将所述修正后的温度矩阵和温度场特征作为测量结果输出。

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