CN106197751B

CN106197751B - 一种温度场的温度测量方法及装置

Info

Publication number: CN106197751B
Application number: CN201610778201.3A
Authority: CN
Inventors: 杨业建; 李云玉; 任荣杰
Original assignee: China Energy Saving Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: China Energy Saving Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: CN106197751A

Abstract

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种温度场的温度测量方法及装置。本发明提供了一种温度场的温度测量方法，包括：步骤1、将测温模块分为m个网格单元；步骤2、采集流经测温模块上的电流、两端的电压及每个网格单元的位置数据，计算获得测温模块的等效电阻及每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值；步骤3、结合测温模块的密度值、比热容值及上述参数值，基于第一类边界条件，建立测温模块的热平衡方程；步骤4、对热平衡方程进行离散化，采用禁忌搜索算法计算并获取测温模块的总电阻值；当等效电阻与总电阻值的差值小于A值时，停止计算。本发明提供的测量方法能一次性地得到待测物体上的线性或平面温度场的温度分布，测量精度高。

Description

一种温度场的温度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种温度场的温度测量方法及装置，具体涉及一种结构简单、占用空间小、测量精度高且对待测温物体的影响小的温度场的温度测量方法及装置。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的物理量，是重要的热工参数之一，是各种物质的物理化学变化的重要条件，在工农业生产及生活中均有大量的温度测量需要。目前，温度测量的方法已达数十种之多，如膨胀测温法、压力温度测温法、电学测温法、磁学测温法、声学测温法和频率测温法。电学测温法中的热电偶温度计和热电阻温度计是当前工业上使用极为广泛的测温仪器。热电阻是中低温区最常用的一种测温元件。一般情况下，测量500℃以上的较高温度时采用热电偶。

当前工业上常用的测温技术，不论是用于测量高温的热电偶，还是用于测量中低温的热电阻，测量的数值反应的是探头所在位置的单一点的温度，无法利用一套测温装置同时对多处温度、有限长度或者平面温度分布进行测量。若采用多个温度传感器测量则存在接线较多且复杂的问题，在工业应用上，很多设备由于空间限制无法安装过多的温度传感器。除此之外，在测量有限长度或者平面温度分布时，由于每个传感器都有铠甲，多个温度传感器同时安装在设备内部，不但会占用大量的空间，同时对设备的热特性造成较大的影响，进而降低了测量精度。具体地，图1为带端子箱的铠装热电阻，其包括套管2及端子箱4；图2为图1中A部件的放大图，用于测量待测点处的温度值，具体在套管2内设有填充有氧化镁1的陶瓷封装型元件3；图3为带引线的铠装热电阻，其包括套管2及引线5；图4为热电偶，其包括不锈钢套管8，不锈钢套管8的一端设有接线盒11，接线盒11的下端设有引线口10，不锈钢套管8的另一端设有瓷绝缘套管7及焊点6；热电偶通过安装固定件9固定于待测物体上。综上，现有的热电偶和热电阻的测温部件，均在保护套管的头部且很小，保护套管和引线占用体积较大，无法使用一个测温元件实现线温度场和面温度场的测量。如果采用多个热电偶(热电阻)测量时，存在占用被测空间较大，接线较为复杂的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是：提供一种结构简单、占用空间小、测量精度高且对待测温物体的影响小的温度场的温度测量方法及装置，以解决现有的测温装置体积大、占用被测空间大且只能测量探头所在位置的单一点的温度的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种温度场的温度测量方法，利用测温模块的电阻测量信息，结合热流平衡理论以及禁忌搜索算法计算测温模块上的温度分布，具体步骤如下：

步骤1、将所述测温模块划分为m个网格单元，其中，m为不小于3的正整数；

步骤2、采集流经所述测温模块上的电流、所述测温模块两端的电压及每个所述网格单元的位置数据，计算获得所述测温模块的等效电阻R_e及每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值；

步骤3、结合所述测温模块的密度值、比热容值、位置数据、每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值，基于第一类边界条件，建立所述测温模块的热平衡方程，具体为：

式中，ρ为所述测温模块的密度值；c为所述测温模块的比热容值；λ为导热系数值；x、y为网格单元的坐标值，t为温度值；

步骤4、对所述测温模块的热平衡方程进行离散化，采用禁忌搜索算法进行计算得到并计算获取所述测温模块的总电阻值比较所述等效电阻R_e与总电阻值的差值，并当值时，停止计算，进而得到所述测温模块上的温度分布；其中，i指的是沿x轴方向上的第i个网格单元；j指的是沿y轴方向上的第j个网格单元；i×j＝m，且i、j均为正整数；n指的是计算步骤，n≥1。

其中，所述步骤2还包括同时采集所述测温模块两端的温度值，将所述测温模块两端的温度值作为所述测温模块两端的网格单元的温度初始值，并结合所述测温模块的密度值、比热容值、位置数据、剩余每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值，采用禁忌搜索算法对剩余每个所述网格单元的温度进行计算，直至满足的条件，以得到所述测温模块上的温度分布。

其中，所述步骤2还包括同时采集所述测温模块任意一端的温度值，将所述测温模块任意一端的温度值作为所述测温模块任意一端的网格单元的温度初始值，并结合所述测温模块的密度值、比热容值、位置数据、剩余每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值，采用禁忌搜索算法对剩余每个所述网格单元的温度进行计算，直至满足的条件，以得到所述测温模块上的温度分布。

其中，在步骤4中，的计算公式为：

式中，λ为导热系数值；t为温度值；i指的是沿x轴方向上的第i个网格单元；j指的是沿y轴方向上的第j个网格单元；i×j＝m；n指的是计算步骤，n≥1；其中，i、j与n均为正整数。

其中，所述测温模块为线型或平面型结构。

本发明还提供了一种温度场的温度测量装置，其包括：

测温模块，设于待测物体上；

电流源模块，设于所述测温模块的两端，为所述测温模块提供电流；

电压测量模块，设于所述测温模块的两端，用于测量所述测温模块两端的压降值；

温度场转换模块，分别与所述测温模块、电流源模块及电压测量模块连接。

其中，所述温度场转换模块包括：

第一模块，用于“将所述测温模块划分为m个网格单元其中，m为不小于3的正整数”；

第二模块，用于“采集流经所述测温模块上的电流、所述测温模块两端的电压及每个所述网格单元的位置数据，计算获得所述测温模块的等效电阻R_e及每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值”；

第三模块，用于“结合所述测温模块的密度值、比热容值、位置数据、每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值，基于第一类边界条件，建立所述测温模块的热平衡方程”；

第四模块，用于“对所述测温模块的热平衡方程进行离散化，采用禁忌搜索算法进行计算得到并计算获取所述测温模块的总电阻值比较所述等效电阻R_e与总电阻值的差值，并当值时，停止计算，进而得到所述测温模块上的温度分布；其中，i指的是沿x轴方向上的第i个网格单元；j指的是沿y轴方向上的第j个网格单元；i×j＝m，且i、j均为正整数；n指的是计算步骤，n≥1”。

其中，该温度场的温度测量装置还包括一个设于所述测温模块任意一端的辅助测温元件，且所述辅助测温元件与所述温度场转换模块连接。

其中，该温度场的温度测量装置还包括两个分别设于所述测温模块两端的辅助测温元件，且所述两个辅助测温元件分别与所述温度场转换模块连接。

其中，该温度场的温度测量装置还包括与所述温度场转换模块连接的环境温度测量模块。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种温度场的温度测量方法，利用测温模块的电阻测量信息，结合热流平衡理论以及禁忌搜索算法计算测温模块上的温度分布，具体包括：步骤1、将测温模块划分为m个网格单元；步骤2、采集流经测温模块上的电流、测温模块两端的电压及每个网格单元的位置数据，计算获得测温模块的等效电阻R_e及每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值；步骤3、结合测温模块的密度值、比热容值、位置数据、每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值，基于第一类边界条件，建立测温模块的热平衡方程；步骤4、对测温模块的热平衡方程进行离散化，采用禁忌搜索算法进行计算得到并计算获取测温模块的总电阻值比较等效电阻R_e与总电阻值的差值，并当值时，停止计算，进而得到测温模块上的温度分布。本发明通过上述测量方法，能一次性地得到待测物体上的温度分布，测量精度高且既可以获取线性温度场，也可获取平面温度场的温度分布；同时，本申请提供的测量装置占用待测物体的空间小，对待测温度场的影响较小，对待测温度物体的损伤较小。

附图说明

图1是现有技术中带端子箱的铠装热电阻的结构图；

图2为图1中A部件的结构放大图；

图3是现有技术中带引线的铠装热电阻的结构图；

图4是现有技术中热电偶的结构图；

图5是本发明一种温度场的温度测量方法及其装置实施例的温度测量方法的主要操作步骤流程图；

图6是本发明一种温度场的温度测量方法及其装置实施例的温度测量装置的主要结构图；

图7是本发明一种温度场的温度测量方法及其装置实施例的测温模块划分为五段结构示意图。

图中：1：氧化镁；2：套管；3：陶瓷封装型元件；4：端子箱；5：引线；6：焊点；7：瓷绝缘套管；8：不锈钢套管；9：安装固定件；10：引线口；11：接线盒；A：测温模块；B：辅助测温元件；C：电流源模块；D：电压测量模块；E：温度场转换模块；F：环境温度测量模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

特别的，本发明主要采用电阻的温度效应和热平衡状态下热流平衡相结合的方式，通过数值计算得到待测温度场的温度分布；其中，测温范围为-100℃～1800℃。在本实施例中，采用禁忌搜索算法来计算测温模块上的温度分布，还可以采用其它的全局逐步寻优算法，如遗传算法或模拟退火算法等。

如图5至图6所示，本发明实施例提供了一种温度场的温度测量方法，利用测温模块的电阻测量信息，结合热流平衡理论以及禁忌搜索算法计算测温模块上的温度分布，具体步骤如下：

步骤1、将测温模块A划分为m个网格单元，其中，m为不小于3的正整数；其中，每个网格单元内的温度是均匀一致的；

步骤2、采集流经测温模块A上的电流、测温模块A两端的电压及每个网格单元的位置数据，计算获得测温模块A的等效电阻R_e及每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值；其中，等效电阻R_e＝测温模块A两端的电压/流经测温模块A上的电流；每个网格单元的初始电阻值＝等效电阻R_e/m，根据初始电阻值获取温度初始值及导热系数初始值；

步骤3、结合测温模块A的密度值、比热容值、位置数据、每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值，测温模块A处于热平衡状态，基于第一类边界条件，假设网格单元的外表面温度为当前位置的环境温度，由于网格单元热物性及形状可以认为是薄材，则网格单元的温度为其所在的环境温度，建立测温模块A的热平衡方程，具体为：

式中，ρ为测温模块A的密度值；c为测温模块A的比热容值；λ为导热系数值；x、y为网格单元的坐标值，t为温度值；其中，当测温模块A用于线性温度场时，x≠0、y＝0；当测温模块A用于平面温度场时，x≠0、y≠0；

步骤4、对测温模块A的热平衡方程进行离散化，采用禁忌搜索算法进行计算得到并计算获取测温模块A的总电阻值比较等效电阻R_e与总电阻值的差值，并当值时，停止计算，进而得到测温模块A上的温度分布；其中，i指的是沿x轴方向上的第i个网格单元；j指的是沿y轴方向上的第j个网格单元；i×j＝m，且i、j均为正整数；n指的是计算步骤，n≥1。特别的，在本实施例中，A值为0.001，具体地，根据所需的计算精度来相应确定A值；所需精度越高，则同等条件下所花费的计算时间越久，最终计算得到的温度分布值更接近于真实值。

步骤2还包括同时采集测温模块A两端的温度值，将测温模块A两端的温度值作为测温模块A两端的网格单元的温度初始值，并结合测温模块A的密度值、比热容值、位置数据、剩余每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值，采用禁忌搜索算法对剩余每个网格单元的温度进行计算，直至满足的条件，以得到测温模块A上的温度分布。

步骤2还包括同时采集测温模块A任意一端的温度值，将测温模块A任意一端的温度值作为测温模块A任意一端的网格单元的温度初始值，并结合测温模块A的密度值、比热容值、位置数据、剩余每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值，采用禁忌搜索算法对剩余每个网格单元的温度进行计算，直至满足的条件，以得到测温模块A上的温度分布。

在步骤4中，当测温模块A用于平面温度场时，的计算公式为：

在步骤4中，当测温模块A用于线性温度场时，j不取值，则的计算公式为：

式中，λ为导热系数值；t为温度值；i指的是第i个网格单元，1≤i≤m；n指的是计算步骤，n≥1；其中，i与n均为正整数。

通过上式计算公式得到新一轮的测温模块A的温度分布，然后采用禁忌搜索算法进生成多组测温模块A的温度分布解，即按照禁忌搜索表对每个温度点进行△t(随着运算的进行可以调小△t)的加减，生成多组测温模块A的温度分布解，进而再计算得到每组测温模块A总电阻值

具体地，测温模块A为线型或平面型结构。在本实施例中，当测温模块A用于线性温度场时，采用直径为0.1-3mm的铂铑合金导线；当测温模块A用于平面温度场时，采用厚度在0.3-4mm的带形导体。

优选地，测温模块A采用导线材质包括不限于：铂铑合金、纯铂、镍铬合金、镍硅合金、纯铜、铜镍合金、镍铬硅、铜镍和铁铬铝合金等，根据待测温度选择材质。其形状可以根据待测温度场布置成直线型、L型、U型、S型，测温模块A可以直接使用或者放入不锈钢、刚玉护套内，或者平放到半环形护套上；平面型测温模块A可以按照需要进行折叠。当测量导体(且电导率随温度而改变)温度分布时，可以直接将待测物体作为测温模块A使用。

本发明还提供了一种温度场的温度测量装置，其包括：

测温模块A，设于待测物体上；

电流源模块C，设于测温模块A的两端，为测温模块A提供电流；在本实施例中，根据所选用的测温模块A的阻值特性，电流源模块C的所需电流为2-500mA。

电压测量模块D，设于测温模块A的两端，用于测量测温模块A两端的压降值；在本实施例中，电压测量模块D的电压测量范围为0-12V。

温度场转换模块E，分别与测温模块A、电流源模块C及电压测量模块D连接。具体地，根据测温模块A的结构参数、辅助测温元件B的位置和温度数据、电流源模块C提供的电流数据、电压测量模块D提供的电压数据，得到测温模块A的等效电阻值，采用禁忌搜索算法进行计算并获取测温模块A的总电阻值，比较等效电阻与总电阻值的差值，并当两者差值小于A值时，停止计算，进而得到测温模块A上的温度分布。特别的，温度场转换模块E也可以采用嵌入式系统。其中，温度场转换模块E为电脑或微处理器或单片机。

具体地，在本实施例中，温度场转换模块E包括：

第一模块，用于“将测温模块A划分为m个网格单元其中，m为不小于3的正整数”；

第二模块，用于“采集流经测温模块A上的电流、测温模块A两端的电压及每个网格单元的位置数据，计算获得测温模块A的等效电阻R_e及每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值”；

第三模块，用于“结合测温模块A的密度值、比热容值、位置数据、每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值，基于第一类边界条件，建立测温模块A的热平衡方程”；

优选地，该温度场的温度测量装置还包括一个设于测温模块A任意一端的辅助测温元件B，且辅助测温元件B与温度场转换模块E连接；或该温度场的温度测量装置还包括两个分别设于测温模块A两端的辅助测温元件B，且两个辅助测温元件B分别与温度场转换模块E连接；其中，辅助测温元件B可以为热电偶或热电阻或红外测温仪等测温仪器。具体地，根据实际实施条件，辅助测温元件B可不安装或只安装于测温模块A的一端或安装于测温模块A的两端，区别在于，温度场转换模块E的转换速度，即当两端有精确的温度初始值，利于后续网格单元的温度计算值的收敛速度，提高了计算效率。

进一步地，该温度场的温度测量装置还包括与温度场转换模块E连接的环境温度测量模块F，环境温度测量模块F用于测量测温模块A附近的环境温度，在本实施例中，可将测温模块A附近的环境温度值作为温度初始值，以加快温度场转换模块E的转换速度，有利于提高计算效率及计算精度。

值得说明的是，电流源模块C和电压测量模块D可以由电压源模块、电流测量模块或者电桥等电阻测量模块取代，用于获取测量模块的等效电阻。

特别的，本申请以具有蜂窝体的蓄热式燃烧器为例加以说明，在测量蜂窝体气流流动方向的温度分布时，若采用传统的热电偶较为复杂，且对蜂窝体有破坏，而采用蜂窝体作为蓄热室时，其空间较小，无法布置较多的热电偶。其中，20万大卡烧嘴蓄热室的体积为60cm*50cm*66cm，需要测量蜂窝体在66cm长度内的精确温度分布。温度范围为30℃-1000℃。

具体测温方法为：采用长度68cm直径为0.2mm铂铑合金丝(PtRh30)作为测温模块A，将铂铑合金丝沿气流方向穿入蜂窝体的孔内(其一般为直径6mm的六边形)；在蓄热室的两头贴着蜂窝体分别安装热电偶测量，位置设在两头的平面上即可。在铂铑合金丝两头沿着蜂窝体安装电压测量导线，按照图7将安装测量装置。在温度场转换装置——电脑上设置将66cm的铂铑合金丝等分为100段，经过计算即可得到该66cm铂铑合金丝上的100个温度值，进而得到蓄热室的温度分布。

若以线性温度场为例，且将测温模块A划分为五段，除首尾两段长度为l/2，其余各段长度均为l，具体如图7所示。其中，在测温模块A的两端均设有辅助测温元件B。

初始化：

T1、T5为已知确定的温度点，T2、T3、T4为未知温度点，初始化方法为，由T1、T5根据温度查出相应的电阻值R1、R5。

由测量值可知：

R1+R5+R2+R3+R4＝U测/I定＝R(U测为测温元件两端的压降，I定给定的流经测温元件的电流值)。初始化，使R2＝R3＝R4，由此得到R02、R03、R04的初始值。

此时，测温模块A处于热平衡状态，使用第一类边界条件，假设控制单元的外表面温度为当前位置的环境温度，由于控制单元热物性及形状可以认为是薄材，则控制单元的温度为其所在的环境温度，建立测温模块A的热平衡方程，具体为：

由以上假设条件，并离散化可得：

通过上式计算得到新一轮的测温模块A上的温度分布，然后采用禁忌搜索算法进生成多组测温模块A的温度分布解，即按照禁忌搜索表对每个温度点进行△t(随着运算的进行可以调小△t)的加减，生成多组测温模块A的温度分布解；然后计算得到每组测温模块A总电阻值，并比较测量值R与总电阻值的差值，选取差值最小值一组数据作为解进入下一次迭代，其中，收敛条件为测量值R与总电阻值的差值小于A(其中A＝0.001，且A值可以根据计算误差允许范围取值)。

综上所述，本发明提供了一种温度场的温度测量方法，利用测温模块的电阻测量信息，结合热流平衡理论及禁忌搜索算法计算测温模块上的温度分布，具体包括：步骤1、将测温模块划分为m个网格单元；步骤2、采集流经测温模块上的电流、测温模块两端的电压及每个网格单元的位置数据，计算获得测温模块的等效电阻R_e及每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值；步骤3、结合测温模块的密度值、比热容值、位置数据、每个网格单元的温度初始值及导热系数初始值，基于第一类边界条件，建立测温模块的热平衡方程；步骤4、对测温模块的热平衡方程进行离散化，采用禁忌搜索算法进行计算得到并计算获取测温模块的总电阻值比较等效电阻R_e与总电阻值的差值，并当值时，停止计算，进而得到测温模块上的温度分布。本发明通过上述测量方法，能一次性地得到待测物体上的温度分布，测量精度高且既可以获取线性温度场，也可获取平面温度场的温度分布；同时，本申请提供的测量装置占用待测物体的空间小，对待测温度场的影响较小，对待测温度物体的损伤较小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种温度场的温度测量方法，其特征在于：利用测温模块的电阻测量信息，结合热流平衡理论以及禁忌搜索算法计算测温模块上的温度分布，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的温度场的温度测量方法，其特征在于：所述步骤2还包括同时采集所述测温模块两端的温度值，将所述测温模块两端的温度值作为所述测温模块两端的网格单元的温度初始值，并结合所述测温模块的密度值、比热容值、位置数据、剩余每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值，采用禁忌搜索算法对剩余每个所述网格单元的温度进行计算，直至满足的条件，以得到所述测温模块上的温度分布。

3.根据权利要求1所述的温度场的温度测量方法，其特征在于：所述步骤2还包括同时采集所述测温模块任意一端的温度值，将所述测温模块任意一端的温度值作为所述测温模块任意一端的网格单元的温度初始值，并结合所述测温模块的密度值、比热容值、位置数据、剩余每个所述网格单元的温度初始值及导热系数初始值，采用禁忌搜索算法对剩余每个所述网格单元的温度进行计算，直至满足的条件，以得到所述测温模块上的温度分布。

4.根据权利要求2或3所述的温度场的温度测量方法，其特征在于：在步骤4中，的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的温度场的温度测量方法，其特征在于：所述测温模块为线型或平面型结构。

6.一种温度场的温度测量装置，其特征在于，包括：

测温模块，设于待测物体上；

温度场转换模块，分别与所述测温模块、电流源模块及电压测量模块连接；

其中，所述温度场转换模块包括：

7.根据权利要求6所述的温度场的温度测量装置，其特征在于：还包括一个设于所述测温模块任意一端的辅助测温元件，且所述辅助测温元件与所述温度场转换模块连接。

8.根据权利要求6所述的温度场的温度测量装置，其特征在于：还包括两个分别设于所述测温模块两端的辅助测温元件，且所述两个辅助测温元件分别与所述温度场转换模块连接。

9.根据权利要求6至8任一项所述的温度场的温度测量装置，其特征在于：还包括与所述温度场转换模块连接的环境温度测量模块。