CN102112851A - 使用温度平衡的温度传感器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于测量待测物体的温度的温度感测装置。该温度感测装置包括与该待测物体接触的探头。该装置使用热能源向探头输送或从探头输送热能来阻止热传递给该待测物体或从该待测物体热传递。该热能源可以包括加热/冷却源。该温度感测装置还包括热通量传感器。该探头与该加热/冷却源之间的温度差异将驱动热通量通过该热通量传感器。还提供了一种用于确定待测物体的温度的方法。

Description

使用温度平衡的温度传感器的系统和方法

技术领域

本文描述的主题大体上涉及感测装置，更特别的，涉及增加温度测量准确度的装置和方法。

背景技术

用于测量温度的感测装置或探头(例如电阻温度装置(RTD)等)在本领域中一般是已知的。这类探头中的大部分具有相当大的热容量，并且通过它们的结构向周围环境释放热量。在探头与正测量其的温度的物体或表面(这里称为未知物或待测物体)接触时这可产生问题。

例如，尝试测量未知物的温度的探头典型地处于与该未知物不同的温度，例如室温。当该探头与待测物体接触时这产生热传递的问题。因为该探头处于与该未知物不同的温度，当这两者接触时探头实际上改变该未知物的温度。因此，该探头可严重地干扰该未知物的温度以致于不能检测该未知物的准确温度。

当使用已知装置或者探头测量温度时，它必须与待测物体紧密热接触(低热阻)。相反地，待测物体必须具有与探头之间的低热阻。待测物体必须具有某个容量的热源或者散热器(sink)以向探头供应或者/从探头移除热能，使探头温度与待测物体温度一致，并维持该温度下从探头的能量损失。如果这些条件不能满足，探头将会冷却或者加热待测物体，改变待测物体的温度并导致测量误差。

为了测量具有高热阻的未知物的温度，典型地使用非接触方法。一般地，非接触方法使用由IR传感器(通常物理上远离未知物)检测的来自未知物的红外(IR)辐射。然而，在使用非接触温度测量装置的情况下，噪声和表面发射率都限制系统准确度。

因此，提供一种可更准确地测量具有高热阻的未知物的温度的感测装置是可取的。提供一种可更准确地测量具有低热阻和不良供热的未知物的温度的感测装置是进一步可取的。另外，提供一种在未知物和感测装置之间存在不良热接触的情况下更准确地测量温度的感测装置是可取的。

发明内容

根据本发明的实施例，用于测量待测物体的温度的温度感测装置包括与该待测物体接触的探头和用于阻止热量向该待测物体传递或从该待测物体传递的部件。该用于阻止热量向待测物体传递或从待测物体传递的部件将热能输送给探头或从探头输送。

在本发明的另一个实施例中，用于测量待测物体的温度的温度感测装置包括探头和用于阻止热量向该待测物体传递或从该待测物体传递的加热/冷却源。该温度感测装置进一步包括热通量传感器。该探头与该加热/冷却源之间的温度差异将驱动热通量通过该热通量传感器。

在本发明的再另一个实施例中，提供了一种用于确定待测物体的温度的方法。该方法包括使探头与该待测物体接触，并且通过使用热能源将热能向探头输送或从探头输送来阻止热量向该待测物体传递或从该待测物体传递。该方法进一步包括基于该探头和该热能源之间的热通量来平衡探头温度和待测物体温度。

附图说明

仅以示例的方式提供的实施例的下列详细说明将参照附图给出，其中：

图1是根据本发明的实施例的与待测物体接触的温度感测装置的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例关注用于测量未知物或待测物体的温度的装置和方法。能量，也就是热损失或热增益(thermal gain)，不由该未知物供应给温度感测装置。相反，能量由热能源供应给温度感测装置，该热能源服务于平衡感测装置的温度与未知物的温度。该热能源是用于阻止热量向未知物传递或从未知物传递的部件。在本发明的实施例中，热能源为加热/冷却源。该装置进一步包括耦合于加热/冷却源的热通量传感器。该加热/冷却源将该装置加热或冷却到未知物的温度，从而将由该热通量传感器感测到的热通量降低到零。

在图1中图示，示出根据本发明的实施例的温度感测装置10。温度感测装置10包括温度计元件7，其进而包括温度计显示器1。温度计元件7可包括如本领域内已知的电阻温度装置(RTD)。温度计7还可是热电偶、热敏电阻或其他在期望温度范围中工作而具有期望准确度的温度传感器。温度计7配置成测量在图1中示为加热/冷却源3的热能源的温度。因此温度计7的任何热损失和热容量都由加热/冷却源3供应，而不是由未知温度的物体6供应，未知温度的物体6在本文中也称为未知物或待测物体。

在本发明的实施例中，加热/冷却源3包括珀耳帖(Peltier)热电装置，也称为热电冷却器(TEC)。当加热/冷却源3包括TEC时，可以根据热通量的方向来加热或冷却温度感测装置10。其他具有加热和冷却能力的系统也可包括加热/冷却源3。

在备选实施例中，加热/冷却源3仅包括加热源。适合在温度感测装置10中使用的加热器包括例如电阻元件(例如镍铬合金丝(Nichrome wire)等)。在再另一个实施例中，加热/冷却源3仅包括冷却源。适合在温度感测装置10中使用的冷却器包括例如蒸发冷却器和相变冷却器。

热通量传感器4连接到加热/冷却源3。加热/冷却源3和热通量传感器4连接以便最小化它们接合处的热阻并且横跨热通量传感器4的表面区域分布能量。热通量传感器4可包括任何提供与流过其的热能或‘通量’成比例的电输出的装置。

热通量传感器4还连接到传感器探头5。热通量传感器4和传感器探头5也连接以便最小化它们接合处的热阻并且横跨热通量传感器4的表面区域分布能量。在本发明的实施例中，热通量传感器4设置在加热/冷却源3和探头5之间。探头5提供将热通量传感器4热连接到未知物6的部件。因此，探头5可由高热导率并且低热质量的材料构成，包括但是不限于金刚石或陶瓷材料。典型地，探头5做成是尽可能小以最小化它的热阻和热质量同时允许实用的机械结构并为用户提供足够便利。

重新参考热通量传感器4，热通量传感器4输出电信号给包括放大器的反馈控制电路2。该电信号与通过热通量传感器4的热通量的大小和方向成比例。控制电路2基于这些信号调整对加热/冷却源3的功率来使热通量为零或者大致为零。指示器8指示什么时候达到该状况，并且控制电路2进入中性状态。此时，可以通过显示器1读取未知温度。

指示器8从控制电路2接收输出信号并包括当在显示器1上的读数有效时开启的光源(未示出)。指示器8还可包括当读数有效时发声的报警器。关于显示器1，显示的温度值本身可在读数有效前为空白、闪烁、或由例如“等待”等词代替。指示器8是通知用户已经完成温度平衡并且因此显示器1上的显示读数是有效的任何形式的指示。

参考上文描述的使用温度感测装置10来确定未知物6的温度，首先使探头5与待检测物体或者未知物6接触。当在温度感测装置10和未知物6之间有热阻时，存在进入或离开探头5的热通量。在任何一种情况下，探头5的温度将变得与加热/冷却源3的不同。传感器探头5与加热/冷却源3之间的温度差异驱动热通量通过热通量传感器4。

热通量传感器4输出信号到控制电路2，并且控制电路2传送对应电流给加热/冷却源3。从控制电路2传送的电流调节给加热/冷却源3的功率以使热通量传感器4感测到的热通量为零。传送的电流可与感测到的热通量的大小和方向成比例。控制电路2的输出还连接到指示器8。基于包括指示器8的指示器类型，指示器8配置成指示或者显示什么时候热通量为零或者接近为零。

最初，当使探头5与未知物6接触时，温度感测装置10和未知物6通常处于不同温度。当装置10与未知物6相比冷时，存在进入探头5的热通量。备选地，当装置10与未知物6相比热时，存在离开探头5的热通量。接下来的讨论涉及在装置10与未知物6相比冷的情况下装置10与未知物6之间的温度平衡。同样可以意识到上文提到的备选情况的方法。

如上文描述的，当装置10与未知物6相比冷时，存在进入探头5的热通量。响应于该热通量，探头5的温度将变得比加热/冷却源3的高。传感器探头5与加热/冷却源3之间的温度差异驱动热通量通过热通量传感器4。热通量传感器4输出电信号给控制电路2，其将电信号传送给加热/冷却源3的电源。在该情况下，如上文描述的热电冷却器和常规加热器都是组成加热/冷却源3的合适的热源。

随着传感器探头5加热接近未知物6的温度，热通量降低，并且采用经典控制系统方式，传感器探头5的温度变为等于未知物6的温度。由于控制电路2中的大增益值，热通量传感器4的两边没有温度差异。因此，没有热负载提供给未知物6，其可允许更准确的温度测量。

温度感测装置10服务于平衡下文提到的元件的温度以使热通量等于零。当传感器探头5、加热/冷却源3以及温度计元件7的温度相同时，热通量等于零并且经由探头5进入或者离开未知物6的热通量也是零。因而，当热通量等于零时，传感器探头5处于与未知物6相同的温度。此时，温度计元件7的显示器1应该准确反映未知物6的温度。

显示器1上显示的温度值、来自指示器8的测量有效指示以及任何其他数据可代替或另外从传感系统10传递到远程显示计算机或使用例如模拟信号等数据接口或数字接口的其他仪器。

如本文描述并且在附图中示出的温度传感器的系统和方法的结构和设置仅仅是说明性的。虽然在该公开中只详细描述本发明的少数实施例，回顾本公开的本领域技术人员将意识到很多修改是可行的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装设置、材料的使用、取向等的变化)而不实质上偏离包括在附上的权利要求中记载的本主旨的新颖性教导和优点。因此，所有这些修改意在包括在如在附上的权利要求中限定的本发明的范围内。任何过程或方法步骤的次序或顺序都可根据备选实施例改变或重新排序。在权利要求中，任何部件+功能的从句意在包含本文描述的执行记载的功能的结构而不仅包含结构上的等同物还包含等同结构。其他替换，修改，改变和省略可在优选的和其他示范性实施例的设计、操作条件及设置方面做出而不偏离如在附上的权利要求中表达的本发明的实施例的精神。因此，本发明的技术范围不仅涵盖上文描述的实施例还包括落入附上的权利要求的范围内的那些。

Claims (17)

1.一种用于测量待测物体的温度的温度感测装置，所述温度感测装置包括：

与所述待测物体接触的探头；以及

适用于阻止热传递给所述待测物体或从所述待测物体热传递的热能源；

其中所述热能源通过给所述探头输送或从所述探头输送热能来阻止热传递。

2.一种用于测量待测物体的温度的温度感测装置，所述温度感测装置包括：

探头；

加热/冷却源，用于阻止热传递给所述待测物体或从所述待测物体热传递；

热通量传感器，其中所述探头与所述加热/冷却源之间的温度差异驱动热通量通过所述热通量传感器。

3.如权利要求2所述的温度感测装置，进一步包括：

反馈控制电路；

其中所述热通量传感器输出信号到所述反馈控制电路；并且

其中所述反馈控制电路传送电流到所述加热/冷却源。

4.如权利要求3所述的温度感测装置，其中所述信号包括与由所述热通量传感器感测到的热通量的大小和方向成比例的电输出。

5.如权利要求3所述的温度感测装置，其中所传送的电流与由所述热通量传感器感测到的所述热通量的大小和方向成比例。

6.如权利要求3所述的温度感测装置，其中所述反馈控制电路包括放大器。

7.如权利要求2所述的温度感测装置，进一步包括：

指示什么时候由所述热通量传感器感测到的热通量为零的指示器。

8.如权利要求2所述的温度感测装置，进一步包括：

配置成测量所述加热/冷却源的温度的温度计。

9.如权利要求2或其他任何从属于权利要求2的权利要求中之一所述的温度感测装置，其中所述加热/冷却源包括热电冷却器。

10.如权利要求2或其他任何从属于权利要求2的权利要求中之一所述的温度感测装置，其中所述加热/冷却源包括加热源和冷却源中的一个。

11.一种用于确定待测物体温度的方法，包括：

使探头与所述待测物体接触；

通过使用热能源向所述探头输送或从所述探头输送热能来阻止热传递给所述待测物体或从所述待测物体热传递；

基于所述探头与所述热能源之间的热通量来平衡所述探头的温度和所述待测物体的温度。

12.如权利要求11所述的方法，其中：

平衡所述探头的温度和所述待测物体的温度包括将由热通量传感器感测到的所述热通量降低至零；

其中所述探头与所述热能源之间的温度差异驱动所述热通量通过热通量传感器。

13.如权利要求12所述的方法，其中：

用所述热能源加热或冷却所述传感器探头降低由所述热通量传感器感测到的所述热通量。

14.如权利要求11到13中任一项所述的方法，其中：

平衡所述探头的温度和所述待测物体的温度包括平衡所述探头的温度和所述热能源的温度。

15.如权利要求11到14中任一项所述的方法，其中所述热能源包括加热/冷却源。

16.一种大致上如上文参照附图描述的用于测量待测物体的温度的温度感测装置。

17.一种大致上如上文参照附图描述的用于确定待测物体的温度的方法。

Images