CN102207411B - 一种非接触式测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式测温方法，具体的讲是利用铁(亚铁)磁体的磁导率的温度特性，配合励磁线圈和磁电信号转换元件，并结合控制电路，实现对被加热物体的非接触测温。

Description

一种非接触式测温方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式测温方法，具体的讲是利用铁(亚铁)磁体的磁导率温度特性，实现非接触测温。

背景技术

通常，炸制食品的油温约160-170℃，如果要炸透食物，油温约190℃左右，经验表明，当油温在50-90℃，会有少量气泡，油面平静；当在90-120℃，气泡消失，油面平静；120-170℃时，油温急剧上升，油面依旧平静；到170-210℃，有少量青烟，油表面有少许小波纹；一旦到210-250℃，将形成大量含有丙烯醛的青烟，还产生油脂的热聚合物、多环芳烃等多种毒物，因此，用油烹饪的过程中的控温是必要的，优选将油温控制在180℃左右。

现有技术中，电饭煲是另一种温度控制的典型例子，但是，电饭煲在做米饭的温度控制方式，和上述油温控制有着很大的不同，因为，米饭的温度控制只要一点即可，即，控制在103±2℃，即可实现煮饭以及保温。

特开平10-125453公开了一种电磁感应加热烹饪器用的被加热烹饪器，在该文献中，感温不锈钢是具有居里温度的材料。所以，由于居里温度的作用，其磁性会由强磁性体向顺磁性体变化，当超过居里温度时，由于磁性金属材料会丧失磁性，导磁率变低，发热体的发热量以居里温度为边界发生很大的变化，其结果便是能够使用居里温度进行温度控制，例如，使用居里温度为220℃的感温不锈钢控温时，在任何条件下，油的温度也不会超过220℃。

CN1887150中公开了一种能发出反映温度变化的磁信号的电磁锅，包括锅体，在锅体底部固定至少一块感温磁钢作为温度信号发生元件，可以根据感温磁钢达到的居里温度而向电磁灶发出一个失去铁磁性信号，在电磁灶同时有一磁感应元件的情况下，使电磁灶根据感应到的信号来进行温度控制程序的转换，改变了现有技术电磁灶必须人工控温的状况，拓宽电磁灶和电磁锅的用途。

上述现有技术其实利用的仅仅是材料的居里点前后物质磁性的突变，即通过所述居里点可以控制一个温度点。

如何实现一个更宽的温度范围且连续的非接触式控温，本发明的研究人员在CN101307924作出了有益的尝试，该文献公开了了一种设有磁感应测温装置的电磁炉，在所述的电磁炉台板下方靠近加热线圈的位置还设置有测温感应线圈，用于将电磁炉台板上方的磁性感温元件在设定的温度点上产生的磁信号转换为电信号并输出，并在电磁炉控制电路中增设测温电路，该测温电路主要由测温感应线圈和电信号判别电路构成。

但是，该案没有对其控制原理进行说明，进一步的研究认为，该技术方案需要在一系列特定的条件下才能够实现。

如何实现一个更宽的温度范围且连续的非接触式控温，并从原理以及机理上加以说明，现有技术没有给出任何启示，有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种非接触式测温方法。

本发明的目的可以通过以下方式得以实现：

一种非接触式测温方法，包括一个需要测温的部件，在所述的需要测温的部件接触部位设置至少一个磁性感温元件；一个励磁线圈；一个磁电信号转换元件，和控制电路；其特征在于所述的制备磁性感温元件铁磁体或亚铁磁体，在工作温度范围内，具有连续下降的μ-T曲线，所述曲线的任一点的切线与横向的T轴具有夹角β，所述的夹角β为钝角；或具有连续上升的μ-T曲线，所述曲线的任一点的切线与横向的T轴具有夹角α，所述的夹角α为锐角；然后在励磁线圈上施加一个交变电场，励磁线圈工作时，在磁电信号转换元件中产生一个基本电信号，同时对磁性感温元件进行励磁，当被测物体温度变化时，磁性感温元件的磁感应强度发生变化，所述的变化反映在磁电信号转换元件中就产生了相应温度的电信号，通过信号判别电路，以及控制电路可实现非接触式测温。

上述的β角的范围在100-170度，优选在110-160度，更加优选的是110-140度；或，所述的α角的范围在10-80度，优选在15-75度，更加优选的是25-70度；以及，所述的工作温度是指室温至250℃，优选30-220℃，更加优选50-200℃。

所述的铁磁体、亚铁磁体是指铁、镍、钴、钆、镝的任何一种以及它们组合的合金，以及铁氧体。

对应不同的频率或功率，预置多个μ-T曲线，测温时采用的比较对象和预置的等同或者最为接近的μ-T曲线进行换算。

本发明所述的控制电路包括电源电路、输出控制电路、电流检测电路、温度保护电路、输出调节电路、显示电路和保护电路等，还包括测温电路，所述的测温电路包括测磁电信号转换元件和电信号判别电路，磁电信号转换元件与电信号判别电路相连，电信号判别电路再与输出控制电路连接。

本发明所述的磁电信号转换元件包括电磁感应线圈、霍尔线圈以及霍尔芯片，或者他们的组合。

在易于实现的情形下，可以将被加热物体的尺寸、形状和质量，以及磁性感温元件尺寸、形状和质量，以及磁电信号转换元件之间的参数是相对固定的；或者，采用的被加热物体尺寸、形状和质量对励磁线圈、磁性感温元件、磁电信号转换元件很小的影响。

根据需要，可以对磁电信号转换元件进行部分屏蔽；所述的励磁线圈可以兼做被加热物体的加热线圈，所述的磁性感温元件固定在被测温的部件上并互相接触形成良好的导热。

更加具体的描述如下，正如前述，铁磁体、亚铁磁体或铁氧体的磁导率(或磁感应强度、磁化强度)与温度等参数有着非常复杂关系，它们受频率、温度、居里点前后的磁特性变换等因素的影响，具体可参见下面引用的现有技术的公开内容。

《功能材料》增刊2001第10期公开了了一种“Fe₈₃Nb₆B₁₁合金磁导率随温度的变化”的研究文章，从该文献可以看出，所述合金磁导率与温度形成复杂的关系，甚至，在不同的条件下，它们的关系系数具有完全不同的趋势，参见附图1(a)。

“Fe-Cu-Nb-Si-B合金磁导率与温度关系”(物理学报，1997年10月第10期)公开指出，最具有代表性的Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉合金在不同的退火温度下体现了迥然不同的μ_i-T曲线，并进一步指出，μ_i随T的变化主要是由Ms，K及λs的变化引起的。参见附图1(b)。

周期性对称变化的交流磁化过程中磁感应强度也周期性对称地变化，其磁滞回线表现为动态特性，如果磁化场的振幅不变情况而提高频率，则磁滞回线逐渐变为椭圆形，可以看出，外界磁场强度的变化以及外界磁场的频率对铁磁体的动态特性有很大的影响。

图2(a)是典型的磁化曲线(B-H曲线)，铁磁体的共同磁化特点是：随着H的增加，开始时B缓慢的增加，此时μ较小；而后便随H的增加B急剧增大，μ也迅速增加；最后随H增加，B趋向于饱和，而此时的μ值在到达最大值后又急剧减小(磁导率随磁场强度增加而升高，当外加磁场强度超过某限值，磁导率急剧下降称为磁饱和，材料失去磁屏蔽，磁导率越高越易饱和)，该附图也表明了磁导率μ是磁场H的函数。

图2(b)中可看到，磁导率μ还是温度的函数，当温度升高到某个值时，铁磁体由铁磁状态转变成顺磁状态，在曲线突变点所对应的温度就是居里温度T_c；

Weiss的内场理论(参见图3)指出，内场(分子场)的大小与磁化强度M成正比，在温度很低时，Ms随T变化很小，铁磁体(参见图3(a))内部存在自发的磁化强度，当温度越低自发磁化强度越大.同时，铁磁体的磁化率是特别大的正数，在某个临界温度T_C以下，即使没有外加磁场，材料中也会产生自发的磁化强度。当温度逐渐上升时，热运动的无序作用逐渐加强，自发磁化强度Ms逐渐减小，当温度达到Tc(居里温度点)时，自发磁化强度剧烈下降为零，转变成顺磁体，这时磁化率服从居里-外斯定律：X＝μ₀C/(T-θ)。顺磁居里点θ往往和居里点T_c很接近，一般θ＞T_c。通常，纯铁的居里温度是770℃，纯镍是350℃。

亚铁磁体(参见图3(b))的磁化率在温度低于T_C时的磁化率不如铁磁体那么大，它的自发磁化强度也没有铁磁体的大，典型的亚铁磁体材料是铁氧体。顺磁居里点θ＜T_c，且往往为负值。

“用差值法测定铁磁材料磁化强度-温度曲线及居里点”(《物理通报》，19620630)公开了几种铁氧体的磁化强度和温度的关系曲线，参见附图4，其中，原图标图5的样品是用某种软磁铁氧体，而原图标图6的样品是用一束镍(钝度未知)。

铁磁材料的磁导率温度关系的复杂性从以上文献可见一斑，已知的研究表明，磁介质一般可分为铁磁体、顺磁质和抗磁质，磁介质的磁化规律满足以下关系：B＝μ_o(1+X_m)H＝μ_rμ_oH＝μH，其中，B是磁感应强度，H是磁场强度，μ_r是相对磁导率，μ_o是真空磁导率，μ是绝对磁导率，X_m是磁化率。磁导率μ，表征磁介质磁性的物理量，通常使用的是磁介质的相对磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ₀之比；磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度；在磁化的不同阶段，材料的磁导率也不同，磁导率在最高点称为最大磁导率。在磁化起始点的磁导率称为初始磁导率。磁化强度M，描述磁介质磁化状态的物理量，是矢量，定义为单位体积内分子磁矩m的矢量和，在外磁场作用下，磁介质磁化后出现的磁化电流要产生附加磁场，它与外磁场之和为总磁场B，对于线性各向同性磁介质，M与B、H成正比，顺磁质的M与B、H同方向，对于铁磁体，M和B、H之间有复杂的非线性关系，构成磁滞回线。

为了实现本发明所述的非接触式磁感应温度检测方法，需要清楚利用什么样的磁介质特性，才能唯一的得出可以利用的温度变化的电信号。

正如前述，在外磁场作用下，磁介质磁化后出现的磁化电流要产生附加磁场，它与外磁场之和为总磁场B，而总磁场和磁导率、磁化率以及磁场强度之间的关系是，B＝μ_o(1+X_m)H＝μ_rμ_oH＝μH，如果在一个适当的温度变化范围内，附加磁场，或者，总磁场B能够随之有较大幅度的连续变化，是实现本发明所述的目的的一个前提，这是因为，如果总磁场或者磁感应强度B随温度变化而变化的幅度较大，就能够让感应线圈、霍尔线圈或者霍尔元件感受到到磁通量的变化，就能够产生相应的电信号，这是本发明的基本思路之一。

μ_o是真空磁导率等于1，如果固定磁场强度H，选择一种或者数种在指定温度范围内具有较大幅度变化的相对磁导率μ_r的磁介质，就可能实现发明，根据这样的研究结论，上述现有技术的文献中公开的多种磁介质就可以被利用。

从现有技术可知，顺磁质的μ_r略大于1，几乎接近μ₀，顺磁质B和H满足线性关系，B＝μ_rμ_oH＝μH。非铁磁性物质的μ近似等于μ₀。而铁磁性物质的磁导率很高，μ＞＞μ₀，因此，铁磁体、亚铁磁体，包括铁氧体，是适当的。

正如前述，铁磁体在温度升至居里点后变为顺磁质，而顺磁质的μ_r略大于1，几乎接近μ₀，温度对磁感应强度，或者总磁场B不再引起较大的变化，因此居里点后的磁导率的变化是不能够实现本发明所述目的的。

铁磁体磁化后，在介质内的磁场显著增强，即磁化后具有很强的与外磁场同方向的附加磁场，其表象是引入磁场中感受到强吸引力的物质，其所受力是顺磁质的约四五千倍，铁磁体的μ_r＞＞1，其数值几乎是μ_o的10³-10⁴倍，铁、镍、钴、钆、镝及其合金和一些非金属的铁氧体都属于这一类。

铁磁性材料的相对磁导率μ_r＝μ/μ₀如铸铁为200～400；硅钢片为7000～10000；镍锌铁氧体为10～1000；镍铁合金为2000；锰锌铁氧体为300～5000；坡莫合金为20000～200000。空气的相对磁导率为1.00000004；铂为1.00026；抗磁性物质(例如，汞、银、铜、碳(金刚石)、铅)的相对磁导率都小于但接近于1。

但是，参见附图2(b)，这是一个典型的μ-T曲线图，即使在居里点前，μ-T曲线也呈现了复杂的变化，例如，居里点前，附图1(a)1中的曲线约65℃左右，附图1(a)2约55℃左右，附图1(b)1中约280℃左右，呈现了一个峰值或谷底，如果利用具有如此特性的μ-T曲线的材料，就会在不同温度下出现二个相同的磁导率μ，其信号输出给信号判别电路时，将无法判断所述的磁导率μ对应的温度究竟是哪一个。

因此，本发明的研究人员，如下的方式是可以用在实现本发明的技术方案中，选择一种铁磁体，其μ-T曲线，在烹饪温度范围内，该曲线呈现一个连续上升或者连续下降的过程。所述的烹饪温度是指，室温到210℃，优选是25-200℃，更加优选是30-180℃。例如：

附图1(a)的4、6、8在室温至约500℃的范围内，就呈现出了一种连续下降的过程；而附图1(a)2在室温至约55℃的范围内呈现出了一个连续上升的过程，但是，这个过程显然不能够满足上述的烹饪温度范围；附图1(b)4(退火温度590℃)约100℃以下呈现连续上升的过程，其斜率和连续性都较好，但是，其上限100℃显然也不能够满足所述的烹饪温度。

综上所述，适合本发明的使用的磁性感温元件10的铁磁体或亚铁磁体(包括铁氧体)应该具有附图5所述的μ-T曲线，所述的曲线中：

a是在本发明所述的烹饪温度范围内具有连续下降的μ-T曲线的一种铁磁体或亚铁磁体，A是该曲线中的一点以及在该点的切线，A切线与横向的T轴具有夹角β，所述的夹角β为钝角，其范围在100-170度，优选在110-160度，更加优选的是110-140度；

b是在本发明所述烹饪温度范围内具有连续上升的μ-T曲线的一种铁磁体或亚铁磁体，B是该曲线中的一点以及在该点的切线，B切线与横向的T轴具有夹角α，所述的夹角α为锐角，其范围在10-80度，优选在15-75度，更加优选的是25-70度；

即使在上述基本条件满足后，要实现本发明所述的非接触式测温，还需要一些其他的限定。

一是功率，当采用非变频的传统的电磁炉作为加热器具，如果采用多线圈进行功率改变，就需要针对不同的功率下，测出对应的制备磁性感温元件10的铁磁体或亚铁磁体μ-T曲线，在选择不同的功率的情形下，选择对应的μ-T曲线进行计算比较，然后将与其对应的磁感应强度B，在对应的磁电信号转换元件6上体现相应的电信号值。

二是频率，当采用变频电磁炉作为加热器具，就需要在相当多个频率下，测出对应的制备磁性感温元件10的铁磁体或亚铁磁体μ-T曲线，在测温时，在预置多个频率相对应的μ-T曲线中，选择最为接近的进行计算比较，然后将其对应的磁感应强度B，在对应的磁电信号转换元件6上体现相应的电信号值。

实际上，被加热物体尺寸、形状和质量，以及磁性感温元件10尺寸、形状和质量对所测温度精确性也有很大的影响，一种简单的办法是，对应一种电磁炉，将其烹饪锅体9的尺寸、形状和质量也固定下来，同时，磁性感温元件10尺寸、形状和质量也固定下来。

另一种解决方法是，所设置的磁性感温元件10尺寸、形状和质量和励磁线圈以及磁电信号转换元件6之间的关系固定下来，而被加热物体一是采用对磁场没有影响的材料，二是采用影响很小的被加热物体尺寸、形状和质量。

本发明所述的方法，在电磁炉上应用时，还可以考虑在磁电信号转换元件6之间进行一定的屏蔽，以减小励磁线圈对其的影响。

在设定了上述条件后，可以一个交变电场形成的励磁线圈，以及一个磁电信号转换元件6，励磁线圈工作时，在磁电信号转换元件6中产生一个基本电信号，同时对磁性感温元件10进行励磁，当被测物体温度变化时，磁性感温元件10的磁感应强度发生变化，所述的变化反映在磁电信号转换元件6中就产生了相应温度的电信号，通过信号判别电路，以及控制电路，实现对电磁炉温度的控制。

附图说明

以下是附图说明，通过附图说明，可以清楚的理解本发明。

附图1是现有技术几种合金的温度-磁导率的关系曲线；

附图2是典型的磁化曲线(B-H曲线)，其中，(a)是磁化曲线和μ-H曲线，(b)是μ-T曲线；

附图3是现有技术给出的磁化率和温度之间的关系示意图；

附图4是现有技术给出的磁化强度-温度曲线；

附图5是本发明所述的铁磁体的典型的μ-T曲线图，其中，a是具有连续下降的μ-T曲线的一种铁磁体，A是曲线其中一点以及在该点的切线；b是具有连续上升的μ-T曲线的一种铁磁体，B是曲线其中一点以及在该点的切线；

附图6、7是本发明实施例的结构和电路示意图。

为了进一步理解本发明，以下给出本发明附图以及相应图标的说明，其中，控制板1，电磁炉壳体2、电磁炉台板3、加热线圈4，支架5，支架5a，磁电信号转换元件6，热敏电阻7，驱动板8，烹饪锅体9，磁性感温元件10。

以下是本发明的具体实施方式，通过以下的实施例，可以更加清楚的理解本发明。

具体实施方式

实施例一

本实施例以电磁炉测温过程来说明本发明所述的非接触式测温方法。参见附图6、7。

本实施例所述的电磁炉包括：电磁炉壳体2、电磁炉台板3、加热线圈4和控制电路。

所述的控制电路包括控制板1和驱动板8。

加热线圈4的中央设有支架5，该支架5上装有热敏电阻7。

电磁炉台板3下方还设有磁电信号转换元件6，在本实施例中，也可称之为测温感应线圈，用于将电磁炉台板3上方的，和烹饪锅体9固定在一起的磁性感温元件10，在相应的温度点上产生的磁场变化转换为电信号并输出，该测温感应线圈与加热线圈4(在此兼作磁性感温元件10的励磁线圈)匹配，产生感应电信号。测温感应线圈位于加热线圈4(兼作励磁线圈)和磁性感温元件10附近，能感知并明确检测磁性感温元件10的磁场变化的区域内，在本实施例中，测温感应线圈由另一支架5a固定在加热线圈4的一侧。

电磁炉控制电路包括电源电路、输出控制电路、电流检测电路、温度保护电路、输出调节电路、显示电路和保护电路等，还包括测温电路，所述的测温电路包括测温感应线圈和电信号判别电路，测温感应线圈与电信号判别电路相连，电信号判别电路再与输出控制电路连接，使电磁炉的控制程序作出相应的变换。

在本实施例中，采用的电磁感应原理实现本发明所述的非接触式感温方法，其基本原理是，因磁通量变化产生感应电动势，即，当所述的磁性感温元件的磁感应强度随温度变化而变化时，其产生的磁场发生变化，变化的磁场对测温感应线圈做磁力线切割，测温感应线圈中就会产生变化的电流或电压信号，

具体的，当电磁炉工作时，加热线圈4产生一定强度的交变磁场对烹饪锅体9进行加热，同时，所述的交变磁场同时作用于磁性感温元件10和测温感应线圈。

当所述的交变磁场以一定的参数工作时，其单独作用于测温感应线圈并在其中产生的电信号的幅度是固定的，无论采集的是电压、电流信号，并在所述的测温感应线圈中形成了基本电信号。

在此所述的交变磁场是指电磁炉的加热线圈4产生的(当然也可以采用独立的励磁线圈)，在本实施例中，所述的加热线圈4既是电磁炉的加热线圈，也是磁性感温元件10和测温感应线圈的励磁线圈。

随着烹饪锅体9的温度变化，磁性感温元件10的温度随之变化，其受励磁线圈激励的磁感应强度B随之变化，变化的磁场在测温感应线圈中产生的电信号与基本电信号叠加形成变化的实时输出电信号，所述的实时输出电信号在电信号判别电路中被判别，并由输出控制电路实现对所设定的温度做转换操作，从而实现对电磁炉烹饪程序的自动控制。

实施例二

在本实施例中，其他和实施例1相同，不同的是，磁性感温元件10嵌在台面上与烹饪锅体9接触的位置，测温感应线圈和其基本正对的放在台面下，独立设置一个励磁线圈，定期的在切断加热线圈时候，进行温度测量。

实施例三

其他和实施例1相同，不同的是，本实施例所述的磁电信号转换元件6，采用的是霍尔元件，具体的讲，本实施例采用了利用霍尔效应制备的霍尔元件作为本发明所述的非接触式测温方法的磁电信号转换元件，具体的：采用均匀的N型半导体材料制成的矩形薄片，所述的薄片具有一定的长、宽、厚，在长度方向的两端加上电压，所述的霍尔元件的位置在磁性感温元件10磁场的有效作用范围内。

当磁性感温元件10在温度的变化下导致磁场B变化，基本垂直于霍尔元件宽面的磁场B的变化，导致了所述的霍尔元件的薄片的宽度的两端产生电位差，然后将所述的电位差转变成电信号，按照实施例1的方式处理。

实施例四

本实施例说明的是，必要时，可对磁电信号转换元件6进行必要的屏蔽，所述的屏蔽可采用现有技术的方式，例如：

“电磁屏蔽中的难题-磁场屏蔽”(电子质量2006第10期)公开了低频磁场(指低于100kHz的交变磁场，而家用电磁炉的工作频率在20-30KHz之内)可以采用高磁导率屏蔽体对磁通进行分流而实现屏蔽的效果，高磁导率屏蔽体内部的磁感应强度远大于外部的磁感应强度，同时，外部的磁力线几乎与铁磁体材料表面垂直，大部分低频磁场能量被约束在屏蔽体内，起到屏蔽作用。更加适用的方式是该文章所述的基于旁路原理的低频磁场屏蔽方式，提高旁路效率，可以使屏蔽体尽可能小来使磁路尽量短，增加磁路的截面积和使用高磁导率的材料。

当然，可以按照本发明的要求进行改进，例如，如安装位置变更，或部分敞口，进行部分屏蔽。

Claims (4)

1.一种非接触式测温方法，在所述的方法中，包括一个需要测温的部件、在与所述的需要测温的部件接触的部位设置至少一个磁性感温元件、一个励磁线圈和控制电路，所述的控制电路包括测温电路，所述的测温电路包括一个磁电信号转换元件和电信号判别电路；其特征在于：制备所述磁性感温元件的铁磁体或亚铁磁体，在工作温度范围30-220℃内，具有连续下降的μ-T曲线，所述曲线的任一点的切线与横向的T轴具有夹角β，所述的夹角β为110-160度；或者，在工作温度范围30-220℃内，具有连续上升的μ-T曲线，所述曲线的任一点的切线与横向的T轴具有夹角α，所述的夹角α为15-75度；然后在励磁线圈上施加一个交变电场，励磁线圈工作时，在磁电信号转换元件中产生一个基本电信号，同时对磁性感温元件进行励磁，当被测物体温度变化时，磁性感温元件的磁感应强度发生变化，所述的变化反映在磁电信号转换元件中就产生了相应温度的电信号，通过控制电路的电信号判别电路，判别以实现非接触式测温；对应不同的频率或功率，预置多个μ-T曲线，测温时采用的比较对象和预置的等同或者最为接近的μ-T曲线进行换算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的β角的范围为110-140度；或，所述的α角的范围为25-70度；以及，所述的工作温度为50-200℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的铁磁体是指铁、镍、钴、钆、镝的任何一种，亚铁磁体为铁氧体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的磁电信号转换元件包括霍尔线圈或霍尔芯片，或者它们的组合。