CN102539018B - 温度传感器标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度传感器标定装置，包括恒温水槽、恒温腔室、智能控制结构。本发明采用特有的恒温腔室为恒温水槽提供稳定的工作环境，并多次采集数据取平均值，从而实现高精度的温度标定；本发明还采用特制的传感器接口板可以用一个标准传感器同时标定多个传感器，同时利用温度控制单元和外腔气体回收缩短温度稳定时间，实现了高效率的温度标定；此外，本发明的标定装置结合了现有技术，安装及操作简单，可按不同使用要求进行替换、增加或删减装置，因而可大范围推广使用。

Description

温度传感器标定装置及方法

技术领域

本发明涉及温度传感器领域，尤其涉及一种温度传感器标定装置及方法。

背景技术

温度传感器是用来实时监测对象的温度，在实验和工业自动化设备中应用广泛。由于温度传感器的固有特性的限制，在使用前往往需要对其进行标定，而标定结果的精度会直接影响温度传感器工作产生结果的准确性，因此做好温度传感器的标定是做好后续工作的前提。

目前，现有技术中的一种用于温度传感器标定的装置和方法，通过将标准传感器和待标定传感器同时插入装满氧化铝粉的容器中通过加热器提高氧化铝粉温度，通过控制通入气体的流量降低和稳定氧化铝粉温度。该方法能够实现大范围温度标定，但由于铝粉温度控制精度在所述装置下无法保持高精度，因此标定精度较低。所述标定方法中要求对时间严格控制，如从温度达到期望值到温度稳定所需时间、从温度稳定到温度开始下降的时间，实际操作中这些时间常量需要严格测定并遵守，增加了该方法的使用难度，也限制了该方法的使用。

现有技术中的一种水箱恒温控制装置和方法，通过强制液冷使得降温速度比自然降温提高很多，避免超调过程发生，减少热惯性的影响，缩短控温时间，减少耗电量，但是由于所述液槽中冷却水管和电加热器的存在，将会导致液槽内较大的温度梯度，即使有搅拌器令其内部水温均匀，也只是近似均匀，在单个控制点处水温将会出现周期性波动，从而降低了控温精度；另一方面，所述方法在大部分控制过程中，除控制制冷速率的情况外，只有一个执行器在工作，这确实能起到减小耗电量的作用，但这些过程都是在液槽温度远离设定值时才发生的，相对降低了液槽控温的精度。

以上所举例的两个专利的装置和方法有关使用范围和标定精度方面的不足，在现有的大多数温度传感器标定装置和方法中都明显存在，因此需要一种温度传感器标定装置及方法，不仅能够广泛使用，而且满足高精度、高效率的温度标定要求。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种温度传感器标定装置及方法，不仅能够大范围使用，而且能够满足高精度、高效率的温度标定要求。

为了解决上述问题，本发明提供一种温度传感器标定装置，包括：

恒温腔室，所述恒温腔室由水套内腔、水套外腔和冷却水套构成，所述水套内腔、水套外腔均为充满气体的气腔并通过水套内腔两端的端盖开合来连通或断开，所述冷却水套通有冷却液并缠在所述水套内腔外表面，所述水套内腔连接气温传感器监测水套内腔的气体温度，所述水套外腔连接气温调节器调节水套外腔的气体温度，所述冷却水套连接液温传感器和液温调节器分别监测和调节冷却水套内的冷却液温度；

恒温水槽，所述恒温水槽一侧设有传感器接口板用以连接标准传感器和待标定传感器，内部装有工作液，并置于所述水套内腔中；

智能温度控制结构，所述智能温度控制结构的信号输入端连接所述气温传感器和液温传感器，输出端连接所述恒温水槽、气温调节器及液温调节器。

进一步的，水套内腔为柱体。

进一步的，所述水套内腔的端盖为双层同心结构，每个端盖的两层上都设有相同数量、相同位置、相同大小的通气孔，且所述两层中的一层能相对于另一层旋转以实现通气孔重合或错位密封。

进一步的，所述冷却水套的缠绕长度大于恒温水槽长度，进水口和出水口设置在所述水套内腔外表面的同一位置处，以减小所述恒温水槽内部水温梯度。

进一步的，所述水套外腔为活页连接两个半柱体形成的可开合的柱体。

进一步的，所述水套外腔的外表面包有保温棉。

进一步的，所述水套外腔的气体通过风机产生，并配有气体流量调节阀，水套外腔的进气口上安装有滤布或气孔板。

进一步的，在所述风机与水套外腔之间连接所述气温调节器以提高恒温水槽周围空气稳定性。

进一步的，所述水套外腔的出气口可通过气体回路与风机相连。

进一步的，所述恒温水槽为柱体。

进一步的，所述传感器接口板可拆卸，板面中心设有标准传感器安装孔，以标准传感器安装孔为圆心的同心圆周上均匀布置待标定传感器安装孔。

进一步的，所述标准传感器接入恒温水槽，以标准传感器值为温度反馈点直接控制所述恒温水槽的液体温度，或者通过控制水套内腔的气体温度来间接控制恒温水槽的液体温度。

进一步的，温度控制单元作为所述冷却水套的液温调节器和通入液体装置。

进一步的，所述恒温水槽连接所述温度控制单元，使用所述冷却液作为工作液。

进一步的，所述温度控制单元连接换热器构成所述气温调节器

进一步的，所述温度控制单元通过分流板/集流板连接水管至少形成4个支流，其中一个支流流经换热器，一个支流流经恒温腔室的冷却水套，一个支流用于补充/排走恒温水槽内液体，至少有一个支流直接连通分流板和集流板，每个支流都有一个液体流量调节阀。

进一步的，所述智能温度控制结构由嵌入式计算机系统构成。

进一步的，所述智能控制结构通过电阻精密测量仪连接标准传感器和待标定传感器。

根据本发明的另一面，提供一种温度标定的方法，包括：

在进行某个温度点标定时，首先打开直接连通分流板和集流板的支流，关闭其他支流，令温度控制单元内部调节其输出液体温度至待标定温度；

反向上述各支流的开合状态，打开风机和水套内腔的两个端盖的通气孔；

待气体温度和液体温度都稳定在待标定温度点附近时关闭流经恒温水槽的支流，闭合所述通气孔，启动水套内腔的气体温度控制和冷却水套的夜体温度控制，调节恒温水槽内的液体温度；

当恒温水槽内标准传感器位置的温度达到预定精度并维持一段时间后，开始采集/转换待标定传感器电阻信息并传送到数据综合处理装置进行记录；

当采集/转换完成后，打开直接连通分流板和集流板的支流，关闭其他支流，将温度控制单元设为下一个待标定温度，重复上述过程得到新的温度点下待标定传感器的电阻值信息；

得到所有待标定温度点下待标定传感器的电阻值信息后，根据待标定传感器的阻值-温度信息拟合得到待标定传感器特性方程参数。

进一步的，用以拟合的阻值-温度信息分别为各个标定温度点下标准传感器值保持高精度期间待标定传感器的电阻平均值和标准传感器测得的温度平均值。

进一步的，所述气体流量调节阀和液体流量调节阀均采用电磁阀，所述端盖采用可程序控制的电磁开关，所述恒温水槽内增加水位传感器以检测水箱内液位，所述风机转速可控，同时采用可编程逻辑控制器PLC实现标定全程自动化。

进一步的，以同一个标准传感器为参考，在以其为圆心的同心圆周上均布多个待标定温度传感器，同时标定多个温度传感器，以提高传感器标定效率。

与现有技术相比，一方面，本发明采用特有的恒温腔室为恒温水槽提供稳定的工作环境，并多次采集数据取平均值，进而实现了高精度的温度标定；另一方面，本发明应用特制的传感器接口板可以用一个标准传感器同时标定多个传感器，同时利用温度控制单元和外腔气体回收缩短温度稳定时间，实现了高效率的温度标定；最后，本发明的标定装置结合了现有技术，安装及操作简单，可按不同使用要求进行替换、增加或删减装置，因而可大范围推广使用。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的温度传感器标定装置示意图；

图2是本发明较佳实施例的传感器接口板示意图；

图3是本发明较佳实施例的水套内腔端盖开合示意图；

图4是本发明较佳实施例的水套外腔的截面示意图；

图5是本发明较佳实施例的冷却水套缠绕示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的温度传感器标定装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，本发明提供一种温度传感器标定装置，包括；恒温腔室，恒温水槽、智能温度控制结构。

所述恒温腔室包括水套内腔7、水套外腔6和冷却水套10。

水套内腔7为圆柱体，且水套内腔7壁上设有传感器安装孔和传感器线缆口，用于匹配恒温水槽上的待标定传感器12和标准传感器13的安装，设有恒温水槽11管路进出口，用于安装补充/排走恒温水槽11内液体的水管B2、B6，水套内腔7连接有气温传感器5，用于监测水套内腔7内部的气体温度，水套内腔7左右两端设有左端盖4和右端盖9，都为双层同心圆形结构，每层结构上都设有相同数量、相同位置、相同大小的通气孔，请参考图3，当水套内腔需要通气时两层圆面旋转使通气孔重合，当水套内腔需要密封时两层圆面相对旋转一定角度即可实现通气孔错位密封。

冷却水套10缠在水套内腔7外表面并设有进水口和出水口。冷却水套10的缠绕长度大于恒温水槽长度，进水口和出水口位于水套内腔7外表面同一位置处(参见图5)，以防止水套内腔在轴向上产生较大的温度梯度，冷却水套10连接有液温传感器15，用于检测冷却水套10内部的液体温度。

水套外腔6壁上设有传感器安装孔和水管进出口，水套外腔两端设有进气口和出气口，可以做成特制的连接柱体与气管的接口以实现最好的密封效果；进气口上安装有滤布或气孔板2以使流入气体均匀混合；水套外腔的外表面包有保温棉0以最大限度防止外部空气温度波动影响腔内气体温度稳定性；水套外腔6可由两个半圆柱体活页连接形成，成为一个可开合的圆柱体(如图4所示)，风机23为水套外腔6通入气体，气体流量调节阀8为旁通阀，风机23与水套外腔6之间有换热器22。旁通阀可以为三通气阀，换热器22的出气口连接旁通阀的进气口，气管F1连接旁通阀的出气口和水套外腔6的进气口；通过气管F2连接风机23的进气口将一部分气体直接送回风机23，从而调节进入水套外腔6的气体流量；水套外腔6的出气口也可以在必要时通过气管F3连接风机23的进气口，从而将水套外腔6流出的气体可以送回风机23，缩短温度稳定时间。其他实施例中，风机23与水套外腔6之间有换热器22还可以添加其他提高气体温度精度的装置以提高恒温水槽周围空气稳定性。

恒温水槽11为柱体，置于恒温腔室的水套内腔7内部(水套内腔7的水套内腔积大于恒温水槽11)，恒温水槽11左侧底面底部设有一个进水口，右侧底面顶部设有一个出水口，恒温水槽11左侧底面安装有传感器接口板1，请参考图2，所述传感器接口板1可拆卸，板面设有传感器安装孔，位于中心的传感器安装孔为标准传感器13安装孔，当有多个待标定传感器时，以标准传感器安装孔为圆心的同心圆周上均匀布置多个待标定传感器安装孔，这种结构提高了温度标定的效率。本发明的其他实施例中，恒温水槽11、水套内腔7、水套外腔6的形状也可以是其他柱体。

本实施例中，液温调节器为温度控制单元19，通过出水管B0连接分流板17形成4个支流，其中一个支流B1流经换热器22，一个支流B2用于补充/排走恒温水槽11内液体，至少有一个支流B3直接连通分流板17和集流板18，一个支流B4流经冷却水套10，每个支流都有一个手动控制阀或电动控制阀作为流量调节阀，分别对应图3中的24、16、14、25。这些支流由集流板18汇集后通过进水管B8送回到温度控制单元19，由此，恒温水槽11内的工作液与冷却水套10的冷却液相同。换热器22连接温度控制单元、所述温度控制单元19连接换热器22构成所述气温调节器，通过液温控制通入水套外腔6的气温。

本实施例中，所述智能控制结构嵌入式计算机系统构成，包括计算机21和测控机箱20，测控机箱20接收气温传感器5和液温传感器15采集的温度信号送于计算机21处理，并将处理后的温度信号输出给温度控制单元19，使温度控制单元19调节输出的液体温度，进而调节冷却水套的液体温度和水套内腔和水套外腔的气体温度，本实施例中，可以通过控制水套内腔7的气体温度和冷却水套10的液体温度来间接控制恒温水槽11的液体温度；测控机箱20还接收精密电阻测量装置3测量的标准传感器13和待标定传感器12的标定信息，传送到数据综合处理装置21进行记录和处理。在本发明的其他实施例中，所述标准传感器13接入所述恒温水槽11，以标准传感器13值为温度反馈点，温度控制单元19直接控制所述恒温水槽11的液体温度。

请参考图1，根据本发明的另一面，提供一种使用上述温度传感器标定装置进行温度标定的方法，包括：

在进行某个温度点标定时，首先关闭支流B1、B2、B4，打开支流B3，令温度控制单元19内部调节其输出液体温度至待标定温度；

打开支流B1、B2、B4，关闭支流B3，打开风机22和水套内腔7左/右端盖4/9的通气孔；

待水套外腔6及水套内腔7内的气体温度和恒温水槽11内的液体温度都稳定在待标定温度点附近时，关闭支流B2，闭合水套内腔7左/右端盖4/9的通气孔，启动水套内腔7的气体温度控制，根据标准传感器13温度、水套外腔6内的气体温度和冷却水套10的液体温度来调节恒温水槽11内的液体温度；

当恒温水槽11内标准传感器13位置的温度达到预定精度并维持一段时间后，开始采集/转换待标定传感器12电阻信息并传送到数据综合处理装置21进行记录；

当采集到足够多的数据以后，打开支流B3，关闭支流B1、B2、B4，将温度控制单元19设定值设为下一个待标定温度，重复上述过程得到新的温度点下待标定传感器12的电阻值信息；

得到所有待标定温度点下待标定传感器12的电阻值信息后，根据待标定传感器12的阻值-温度信息拟合得到待标定传感器12特性方程参数，其中，用于拟合的阻值-温度信息分别为各个标定温度点下标准传感器13温度值保持高精度期间待标定传感器12的电阻平均值和标准传感器测得的温度平均值。

本实施例中，气温传感器5、液温传感器15、精密电阻测量装置3和温度控制单元19的信号通过测控机箱20转化并传送到计算机21进行记录和处理。计算机21可以根据这几个温度传感器的值来调节温度控制单元19输出水的温度，从而改变冷却水套10内液体温度和水套内腔7内气体温度，使恒温水槽11内的液体温度保持高精度。

本实施例中，温度控制单元19为成型产品，可以快速输出10℃～40℃范围内的高精度循环水，可以满足水套水温和恒温腔室的气体温度控制需求。

在本发明的其他实施例中，为提高传感器标定效率，可以以同一个标准传感器为参考，在以其为圆心的同心圆周上均布多个待标定温度传感器，同时标定多个温度传感器，如图4所示。为减少待标定传感器安装位置与标准传感器安装位置的温度梯度，标准传感器与待标定传感器之间距离尽可能短。传感器安装接口做成单独的可拆卸模块，以便于标定不同机械接口的温度传感器，接口板1与恒温水槽11之间、与标准传感器和待标定传感器之间保证密封良好，避免恒温水槽11漏液。

在本发明的其他实施例中，为实现标定全程自动化，旁通阀和分流板各个支流流量调节阀可采用电磁阀，水套内腔的两端的端盖可采用可程序控制的电磁开关，恒温水槽内可以增加水位传感器以检测水箱内液位，可以选择转速可控(如通过变频器控制)的风机。对以上可控环节的控制可通过可编程逻辑控制器PLC实现。

综上所述，一方面，本发明采取多个提高精度、去除干扰的措施来提高恒温水槽的温度稳定性。首先通过保温棉隔离环境空气温度波动的影响，其次水套外腔为恒温水槽提供了较稳定的工作环境，然后通过调节水套内腔的气体温度对恒温水槽的液体温度进行精密调节，提高恒温水槽内液体温度稳定性。温度标定期间，水套内腔的端盖关闭，可以避免水套外腔气体温度精度较低带来的影响；恒温水槽进水口阀门关闭，可避免温度控制单元水温波动影响恒温水槽内液体温度精度；冷却水套缠绕长度大于恒温水槽长度，可保证恒温水槽位于水套内腔气体温度最均匀的部位，从而减小恒温水槽内温度梯度；待标定传感器和标准传感器距离足够近，可进一步减少液体温度梯度带来的影响；在数据上由于本系统能够长期保持恒温水槽温度的高精度，进一步通过取多个数据取平均值的方式来提高数据精度。

另一方面，本发明采取了多种措施来缩短标定时间，提高标定效率。首先是采用现有的高精密水温控制装置TCU作为温度控制单元对水温进行精密控制，缩短水温度控制时间。其次，标定前先在TCU内部将水温控制到待标定温度附近(精度为±0.01℃)后再通入恒温水槽，大大缩短了温度调节时间。再者，回收水套外腔流出的气体有利于缩短水套内腔的气体温度调节时间。最后，本发明描述的标定装置可以同时标定多个温度传感器，标定效率高。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种温度传感器标定装置，其特征在于，包括： 

恒温腔室，所述恒温腔室由水套内腔、水套外腔和冷却水套构成，所述水套内腔、水套外腔均为充满气体的气腔并通过水套内腔两端的端盖开合来连通或断开，所述冷却水套通有冷却液并缠在所述水套内腔外表面，所述水套内腔连接气温传感器监测水套内腔的气体温度，所述水套外腔连接气温调节器调节水套外腔的气体温度，所述水套外腔的气体通过风机产生，并配有气体流量调节阀，水套外腔的进气口上安装有滤布或气孔板，所述冷却水套连接液温传感器和液温调节器分别监测和调节冷却水套内的冷却液温度； 

恒温水槽，所述恒温水槽一侧设有传感器接口板用以连接标准传感器和待标定传感器，内部装有工作液，并置于所述水套内腔中； 

智能温度控制结构，所述智能温度控制结构的信号输入端连接所述气温传感器和液温传感器，输出端连接所述恒温水槽、气温调节器及液温调节器，调节恒温水槽、冷却水套、水套内腔和水套外腔的温度一致，且通过所述液温调节器控制所述气温调节器通入所述水套外腔的气温。 

2.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述水套内腔为柱体。 

3.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述水套内腔的端盖为双层同心结构，每个端盖的两层上都设有相同数量、相同位置、相同大小的通气孔，且所述两层中的一层能相对于另一层旋转以实现通气孔重合或错位密封。 

4.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述冷却水套的缠绕长度大于恒温水槽长度，进水口和出水口设置在所述水套内腔外表面的同一位置处，以减小所述恒温水槽内部水温梯度。 

5.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述水套外腔为活页连接两个半柱体形成的可开合的柱体。 

6.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述水套外腔的外表面包有保温棉。 

7.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，在所述风机与水套外腔之间连接所述气温调节器以提高恒温水槽周围空气稳定性。 

8.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述水套外腔的出气口可通过气体回路与风机相连。 

9.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述恒温水槽为柱体。 

10.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述传感器接口板可拆卸，且中心设有标准传感器安装孔，以标准传感器安装孔为圆心的同心圆周上均匀布置待标定传感器安装孔。 

11.如权利要求10所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述标准传感器接入恒温水槽，以标准传感器值为温度反馈点直接控制所述恒温水槽的液体温度，或者通过控制水套内腔的气体温度来间接控制恒温水槽的液体温度。 

12.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，温度控制单元作为所述冷却水套的液温调节器和通入液体装置。 

13.如权利要求12所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述恒温水槽连接所述温度控制单元，使用所述冷却液作为工作液。 

14.如权利要求12所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述温度控制单元连接换热器构成所述气温调节器 

15.如权利要求14所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述温度控制单元通过分流板/集流板连接水管至少形成4个支流，其中一个支流流经换热器，一个支流流经恒温腔室的冷却水套，一个支流用于补充/排走恒温水槽内液体，至少有一个支流直接连通分流板和集流板，每个支流都有一个液体流量调节阀。 

16.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述智能温度控制结构由嵌入式计算机系统构成。 

17.如权利要求1所述的温度传感器标定装置，其特征在于，所述智能控制结构通过电阻精密测量仪连接标准传感器和待标定传感器。 

18.一种使用权利要求15所述的温度传感器标定装置进行温度标定的方法，其特征在于，包括： 

在进行某个温度点标定时，首先打开直接连通分流板和集流板的支流，关闭流经换热器、流经恒温水槽和流经冷却水套的支流，令温度控制单元内部调节其输出液体温度至待标定温度； 

反向连通分流板和集流板、流经换热器、流经恒温水槽和流经冷却水套的支流的开合状态，打开风机和水套内腔的两个端盖的通气孔； 

待气体温度和液体温度都稳定在待标定温度点附近时关闭流经恒温水槽的支流，闭合所述通气孔，启动水套内腔的气体温度控制和冷却水套的液体温度控制，调节恒温水槽内的液体温度； 

当恒温水槽内标准传感器位置的温度达到预定精度并维持一段时间后，开始采集/转换待标定传感器电阻信息并传送到数据综合处理装置进行记录； 

当采集/转换完成后，打开直接连通分流板和集流板的支流，关闭流经换热器、流经恒温水槽和流经冷却水套的支流，将温度控制单元设为下一个待标定温度，重复上述过程得到新的温度点下待标定传感器的电阻值信息； 

得到所有待标定温度点下待标定传感器的电阻值信息后，根据待标定传感器的阻值—温度信息拟合得到待标定传感器特性方程参数。 

19.如权利要求18所述的温度标定方法，其特征在于，用以拟合的阻值—温度信息分别为各个标定温度点下标准传感器值保持高精度期间待标定传感器的电阻平均值和标准传感器测得的温度平均值。 

20.如权利要求18所述的温度标定的方法，其特征在于，所述端盖采用可程序控制的电磁开关，所述恒温水槽内增加水位传感器以检测恒温水槽内液位，所述风机转速可控，同时采用可编程逻辑控制器PLC实现标定全程自动化。 

21.如权利要求18所述的温度标定的方法，其特征在于，以同一个标准传感器为参考，在以其为圆心的同心圆周上均布多个待标定温度传感器，同时标定多个温度传感器，以提高传感器标定效率。 

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