CN102713545B - 涡电流温度计 - Google Patents

Abstract

提供了一种远程非接触式温度测定方法和装置，可操作地用来测定构成待测物体一部分或与物体进行操作热交换的传导构件的温度。该方法包括如下步骤：首先通过使构件（16，38，44）经受磁场而在传导构件（16，38，44）中感生封闭的涡旋电流（28），使得相应的涡电流的大小随着时间呈指数变化。随后确定指数电流大小变化的特征时间常数，这被用来计算物体的温度。该装置（24）包括场发射线圈（14），耦合到波形产生器（12）以感生涡电流（28）；并包括场接收线圈组件（18），用于检测由涡电流（28）所感生的相应的磁场。使用本发明，可以进行基本与传导构件（16，38，44）和场接收线圈组件（18）之间的相对距离和/或角度取向无关的温度测定。

Description

涡电流温度计

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年10月19日递交的临时申请S/N 61/279,229的权益。该在先申请全文结合在此作为参考。

发明背景

发明领域

本发明广泛地关注于用于通过在构成物体的一部分的传导构件或与物体进行操作性热交换的传导构件中使用磁场感生涡电流来进行对物体的温度测定的方法和装置。更特别的是，本发明关注的是远程的非接触式温度测定方法和装置，其中在计算传导构件温度时测定和使用涡电流的特征时间常数传导构件。

背景技术

远程非接触式温度传感设备在现代工业和其它领域有着强劲的需求。由于现有的红外测温仪需要不被阻挡的操作视线，这些现有的红外测温仪不能满足这种需要。带有集成温度传感元件的最先进的RFID电路往往是昂贵的，且需要可靠的信息传输条件（例如RF），这限制了其使用。

众所周知，交变磁场产生电动势，电动势在传导物体中激发涡电流。这电流是封闭涡的形式，且这些涡的形状和空间分布是由在空间和时间上交变的磁场模式以及传导物体的传导性和磁特性来定义的。这种封闭的涡被视为具有特定电感和电阻值的电流流动的封闭等高线。

在过去已经尝试利用涡电流现象来测量传导物体的温度。然而这些努力没有完全成功。美国专利No.5,573,613描述了一种在感应焊接过程（该过程，在两个塑料部件之间的界面上使用传导基座）中感应金属胶合线（基座）的温度的方法和装置。磁工作线圈产生通过塑料部件且围绕基座的交变磁场。这反过来加热了基座，电阻因变于基座材料的热阻系数而变化。这种电阻变化反映在电磁线圈阻抗的变化。电路对不断变动的电阻进行感测，并且这种变化转换成所感测的温度。所感测的温度可随后被用来调节供给至磁工作线圈的功率或者工作线圈沿着胶合线的移动速度。这种技术不需要操作视线。然而，这种方法的明显缺陷是依赖工作线圈阻抗的变化，工作线圈阻抗随着工作线圈与基座之间的距离而显著变化。因此，这个距离必须被精心维护，以确保温度测量精度。

美国专利No.3,936,734描述了通过利用交变磁场在金属部件中感生涡电流效应的方法来远程测量电导率和/或金属部件的温度。该磁场是由受到交流电驱动的励磁线圈来产生的，该励磁线圈被安排成使得其轴垂直于金属部件表面。此外，一对半径相同的测量线圈相对于励磁线圈同轴且对称排列在励磁线圈的每一端。两个测量线圈电学上串联连接，并且测量线圈中的电流与励磁线圈中的电流之间的相位角被认为是对所测量变量的指示。为了减小距离变化的效应，测量线圈被置放于离开金属部件表面一段距离的位置，使得励磁线圈信号和测量信号之间的相位角最大。然而，这种方法在实际使用中不便，因为每次测量都需要在机械上调整金属部件和传感器线圈之间的距离。

另可参见：授予Ueda等人的JP2000193531A；“Development of Methodologyfor In-Service Measurement of Transient Responses of Process Instrument used inLMFBR(在LMFBR中使用的对生产过程仪器的瞬态响应的服务中测量方法的发展)”，国际公司和技术开发中心；Takahira等人所著的“Impedance Variationof a Solenoid Coil Facing a Moving Sheet Conductor （面对运动薄片导体时电磁铁线圈的阻抗变化)”，《日本电气工程》，卷103，第3期，第1-7页（1983）；以及Keller所著的“Noncontact Temperature Measurement of Rotating Rolls(旋转轴非接触温度测量的新技术)”，《钢铁工程》，卷57，第5号，第42-44页（1980年5月）。

发明摘要

本发明克服了以往涡电流温度测量技术的不足，并提供了一种用于对构成待测物体的一部分的传导构件（如金属，半导体，液体电解质）或与待测物体进行操作性热交换的传导构件的远程非接触温度测量的方法和装置。这里的方法和装置基本上与传导构件和探测线圈组件之间的距离和/或相关角度取向无关。

一般来说，本发明提供了一种确定物体温度的方法和装置，包括：在该传导构件中感生涡电流的步骤，其中涡电流是通过使传导构件经受大小随着时间基本呈线性变化的磁场（即，真实线性度不超过大约±30％）来感生的，由此相应的涡电流大小随着时间呈指数变化。下一步，测定指数电流大小变化的特征时间常数，并且用所述特征时间常数来计算所述物体温度。

在较佳的形式中，使用三角波交变电流来驱动磁场发射线圈以在导体构件中感生涡电流，并提供接收线圈组件来监测相应的涡电流感生磁场。接收线圈组件的输出电压随后被用来测定特征时间常数。接收线圈组件有利地包括一对电学上串联但相位相对的接收线圈，接收线圈位于场发射线圈的相对侧上。为了方便温度测量，对接收线圈进行了补偿，使得在缺少传导构件时从接收线圈组件的输出电压是零。

本发明的方法和装置可以被用于各种期望远程非接触式温度感测的环境中。例如，本发明可以被用于测定食物原料在被加热时的温度。在这种使用情况下，加热容器设置有底部壁，可被用来盛放食物原料。金属传导部分（诸如，铝锥体）位于底部壁上，并且金属传导部分的一部分向上投影到食物原料。温度检测单元被放置在靠近加热容器，且包括用于在导体构件中感生涡电流的第一组件，该涡流的大小随着时间的推移呈指数变化。该单元还包括了第二组件，第二组件用于测定涡电流强度变化的特征时间常数，并使用特征时间常数来计算导体部分的温度并进而计算食物原料的温度。

附图描述

图1是示出本发明的远程温度传感装置和方法的示意图;

图2是示出根据本发明的用于远程温度测量的较佳整体系统的框图;

图3是示出根据本发明的接收线圈组件的单阶段输出电压的曲线图；

图4是示出本发明装置的远程温度感测操作与使用常规热电偶温度传感的同时温度感测相比较的图;

图5是置于常规加热盘里的食物原料的示意图，常规加热盘配备有传导构件，允许在食物原料加热过程中远程非接触式地感测食物原料的温度；

图6是在食物温度测定中有用的圆锥形传导构件的立体图;

图7是在食物温度测定中也有用的圆形肩部圆滑的传导构件的立体图。

优选方案描述

现在转向附图，图2示意地示出了根据本发明的非接触式远程温度传感系统10。系统10包含波形产生器12，波形产生器12可操作地与场发射线圈14耦合，且较佳地被设计为向线圈14提供三角电流波形驱动电流。产生器12和线圈14用来产生穿透传导构件16的交变磁场。整个系统10还包括场接收线圈组件18，场接收线圈组件18与信号处理电路20耦合，信号处理电路20可连接到接口22，用来对电路20的输出进行进一步处理和显示。可以理解到，系统组件12、14、18、20、22可被设计在独立单元24之内，作为仪器或者设备的集成部分，或者作为单独的组件。

系统10的基本操作可以通过考虑图1来理解。正如图1中所显示的，受产生器12所驱动的场发射线圈14产生时间上线性变化的磁场，该磁场穿透传导构件16（传导构件16在该示例中被示为是平板）。示出了示例性磁场线26以说明这种效应。该磁场产生稳定的电动势感生（以封闭环或者等高线形式的）涡电流28。然而，涡电流稳定性不是瞬间产生的，因为有限的电感L和电阻R经历涡电流28。相反，涡电流大小I是遵循众所周知的指数规律来稳定的：

I(t)=I₀exp(-tR/L)    (公式1)

式中t是时间变量，I₀是稳定的电流值。

涡电流28也产生相应的磁场，该磁场与线圈14产生的场一起被场接收线圈组件18所感测。在此实例中，组件18包含一对接收线圈30，32，其置于场发射线圈14的相对两侧并且与场发射线圈14同轴对准。线圈30和32电学上串联连接，但相位相对。线圈30，32相对于场发射线圈14的位置被较佳地选择为使得当传导构件16不存在时，由线圈14产生的磁场在线圈30和32中所感生的电压被完全补偿，最终输出电压信号为零。

然而，当构件16存在时，接收线圈30和32各自与构件16离开不同的距离；因此，在接收线圈30中（由场线圈14和涡电流28所产生的磁场的组合）所感生的电压比线圈32中的电压大很多。线圈30和32的最终电压输出信号与涡电流感生的磁场的变化率成比例。这种指数函数关系是由方程1中的特征时间常数τ＝L/R所定义的。

涡电流电感L由电流28的大小所定义，而电流28的大小又是由场发射线圈14所产生的磁场的配置所确定的。涡电流电阻R由这些同样的电流28大小以及传导构件16的电导率σ所定义。假定电流28的大小是稳定的，则时间常数τ＝L/R进而与构成构件16的材料的电导率σ成比例。电导率σ是已知定义的构件16的温度T的单调函数：

τ＝Aσ(T)=F(T)    (公式2)

式中A是个常数，且σ(T)基于温度的电导率对几乎所有现有金属和合金都是已知的。对于给定构件16的特定值A可被很容易地测定，例如通过在一个已知温度下测量时间常数τ并将相应已知的σ值用于那个温度。

因此，可以使用所测得的涡电流时间常数τ来测定构件16的温度T：

T=F^-1(τ)    (公式3)

式中F^-1是F的反函数。

对于给定的传导构件16，在电导率σ对于温度T的关系未知的情况下，函数F^-1(τ)可如下地经验地确定：在多个温度下测量时间常数τ，然后用多项式或其他适当的数学函数对所获得的时间常数数据进行曲线拟合。

可以理解到，构件16可能是受到温度测量的物体的一区域或一面积，也可能是与物体在操作上进行热交换的单独元件或主体。在任何情况下，可以准确地测量物体的温度。

原理上，场发射线圈14的磁场中从零线性上升到某一最大值的单次τ测量就足以测定时间常数的特征值。然而，使用来自场发射线圈14的三角波形的交变磁场可能是有利的，由此可以对多次τ测量求平均值来提高τ的精度。在这种情况下，希望交变磁场的半周期要远大于涡电流时间常数τ。

现在看图3，图解说明了来自场接收线圈组件18的电压输出的单个周期示例。整个系统10操作在500Hz的频率上，接收线圈30被置于距离元件16（由2012铝合金制成，且厚度4mm）25mm的地方。所测得的时间常数τ是134微秒。

在另一项测试中，加热常规的平底锅，通过系统10和常规的热电偶来测定平底锅的温度。平底锅由不锈钢制成且容积为1.5升。在不锈钢层之间还夹杂配有铝底热扩散片。接收线圈30置于距离平底锅底部25mm的地方。K型热电偶也用胶带牢牢固定在平底锅底部，再由一块厚纸板压住。使用热风机从平底锅内部对平底锅加热大约40秒。图4示出本发明的涡电流（EC）系统10和热电偶温度（TC）的温度随时间的变化曲线图。由此可以看出，当EC测量持续给出准确的瞬时温度值时，TC在快速加热期间中显示了明显的延迟。然而，在慢速温度变化期间，这两种方法显示出了类似的精度。也应当注意到，尽管铝热扩散片被夹持在不锈钢相对层之间，涡电流时间常数τ事实上是由铝的电导率σ所定义的。这是因为不锈钢的低得多的电导率（大概比铝低20倍），而且不锈钢夹层厚度很小。本质上，对从不锈钢中接收到的信号的影响是微不足道的。

本发明的温度测定方法和装置不依赖于系统10和传导构件16之间的视线方向。因此，本发明在很多应用领域都是非常有用的。例如，在航空航天业的维修、塑料焊接过程的控制、智能厨具、以及任何其他远程非接触式非视线的温度测定应用中都是有用的。如前所述，准备测量温度的感兴趣物体不需要本身是传导的，相反，分离的传导构件被置于与该不传导物体进行热交换，此时该分离传导构件可被用来作为远程传感器。这种分离的传导构件被塑造成传导金属箔片、小传导盘、或其他外形。

本发明的另一个重要特征是时间常数τ（且进而相应物体的温度T）的值实际上与物体16和场接收线圈组件18之间的距离和/或角取向无关。

例如，3毫米厚且直径25毫米的铝盘经过测试发现显示出良好的温度精度。在这种情况下，场发射线圈14由圆柱形线圈构成，该圆柱形线圈为外径50毫米、高度50毫米、电阻21欧姆、电感40mH。场接收线圈组件包含分离的接收线圈30和32，每个线圈30和32都为直径72毫米、高度8毫米，且每个线圈中有250圈0.2毫米铜线。这些线圈如图1所示地组装。场发射线圈由频率500Hz振幅0.5A的三角波电流来驱动。测试之前，两个场接收线圈被机械对准为使得来自它们的输出信号在传导物体不存在时等于零。

然后将铝盘放置在距离接收线圈30不同距离的地方。在24mm距离处测得的时间常数值是150.0±0.1微秒。于是，距离下降为20mm，而测得的值还是150.0±0.1微秒。然后距离提高到28mm，再次测到了完全相同的时间常数。构成该盘的铝金属的电导率在室温时每摄氏度变化0.4％。因此，这个测试的温度精度被估计为±0.17摄氏度。随后，铝盘平面和接收线圈30之间的角度从零改变到±15°。所测得的时间常数没有变化。因此得出的结论是本温度测量系统显示出几乎不依赖于盘的距离或角度取向，因此所测得的盘温度类似地也和这些因素无关。

本发明特别适用于对加热中的食物的温度的远程非接触式温度测量。例如，如图5所示，常规的不锈钢平底锅34中放有许多食物原料36。平底锅34内还有锥形铝元件38，放置于平底锅34的底部壁40上。使用这样的组件，可以容易地通过使用根据本发明的系统10来监控食物原料36的温度。虽然圆锥形元件38是首选，因为它具有良好地透入到食物材料36体积中的侧壁表面42，但也可以采用其它形状。例如，图7图示说明了基本为圆形且具有连续圆滑肩部46的元件44。

另外，平底锅34可能在底部壁40的外表面配有传导构件。在该实施例中，食物温度不是被直接测量的，但是仍然提供了关于食物温度的有用信息。传导构件可能是嵌入于底部壁40或者黏附于底部壁40的小盘的形式。

Claims (18)

1.一种确定物体温度的方法，包括如下步骤：

在构成所述物体的一部分的传导构件或与所述物体进行操作热交换的传导构件中感生涡电流，

通过使所述传导构件经受大小随着时间基本呈线性变化的磁场，来感生所述涡电流，使得相应的涡电流大小随着时间呈指数变化；

测定所述电流大小变化的特征时间常数；以及

用所述特征时间常数来计算所述物体的温度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括使用磁场传输线圈使所述构件经受所述磁场的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括使用三角波交变电流来驱动所述传输线圈的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括使用接收线圈组件来探测所述相应的涡电流感生磁场，并使用接收线圈组件的输出电压来确定所述特征时间常数的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接收线圈组件包括一对电学上串联但相位相对的接收线圈。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征时间常数是随时间而测定的多个时间常数的平均值。

7.一种测定物体温度的装置，所述物体具有构成所述物体的一部分的传导构件或与所述物体进行操作热交换的传导构件，所述装置包括：

第一组件，用于在所述构件中感生涡电流，所述涡电流的大小随着时间呈指数变化；以及

第二组件，用于测定所述涡电流大小变化的特征时间常数，并使用所述特征时间常数来计算所述物体的温度。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一组件包括磁场发射线圈，用于产生以基本线性速率进行交变的交变磁场。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，包括与所述磁场发射线圈耦合的电流产生器，所述电流产生器使用三角波电流来驱动所述发射线圈。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二组件包括接收线圈组件，用于检测由所述涡电流所感生的相应的磁场。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述接收线圈组件包括一对电学上串联但相位相对的接收线圈。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一组件包括磁场发射线圈，用于产生以基本线性速率进行交变的交变磁场,所述第二组件包括接收线圈组件，用于检测由所述涡电流所感生的相应的磁场,所述第二组件包括一对电学上串联但相位相对的接收线圈，所述一对接收线圈各自位于所述发射线圈的相对侧面。

13.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述构件能与所述物体分离开。

14.一种用于测定食物原料加热期间的食物原料温度的装置，包括：

加热容器，用于盛放所述食物原料，并呈现出底部壁；

金属传导构件，位于所述底部壁上；

第一组件，用于在所述构件中感生涡电流，所述涡电流大小随着时间呈指数变化；以及

第二组件，用于测定所述涡电流大小变化的特征时间常数，并使用所述特征时间常数来计算所述传导构件的温度，以及进而计算所述食物原料的温度。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述传导构件由铝制成。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述传导构件位于所述加热容器内侧并且依靠于所述底部壁，所述构件具有部分地透入所述食物原料的部分。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述传导构件能与所述底部壁分离开。

18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述传导构件是锥形配置，传导构件的底部壁与所述容器底部壁接合。

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