CN106560682A - 温度传感器的一致性标定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度传感器的一致性标定系统和方法。所述一致性标定系统包括恒温箱和标定容器，所述标定容器置于所述恒温箱中，所述恒温箱提供一级恒温域以实现一级恒温；所述标定容器提供二级恒温域以实现二级恒温；并且当所述二级恒温域在所述一级恒温域中达到热平衡时，所述二级恒温域能够用于对温度传感器进行温度一致性标定。

Description

温度传感器的一致性标定系统和方法

技术领域

本发明涉及温度的一致性标定，尤其涉及一种温度传感器的一致性标定系统和方法。

背景技术

近年来，实验研究和野外观测发现，岩石温度可以用来监测地壳应力的变化，称为“热测力学”。根据现有的实验结果，1MPa的应力变化可引起1mK的温度变化，测量几个MPa的应力变化引起的温度变化，温度测量的精度需要达到mK(0.001K)量级。高精度的温度观测系统，是“热测力学”的关键技术。

在基岩地温观测中，采用的是多深度观测，即多温度传感器观测方式。不同温度传感器的一致性问题，对观测结果的后继解释工作具有重要的影响。如何实现高精度温度传感器(mK)的标定，是一个重要的技术问题。尤其是，一致性标定是标定技术研发的优先方向。在这类多温度传感器的观测中，一致性的标定远比准确度更加重要。

不同温度传感器的一致性标定，本质上就是找出一个空间变化幅度达到要求的已知温度场。目前的温度标定，多采用恒温槽(常用介质为水或油)来实现。常用方法是把被标定温度传感器与已被标定好的更高一级精度的温度传感器，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温、降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度传感器的修正量，就成了对被标定温度传感器的标定。

其中，提高温度标定的精度的思路是尽量地提高恒温槽的精度。由于水或油的流动性，决定了达到一定程度后，尤其是垂直方向上，稳定性很难提高。通常情况下，实现0.1K的精度比较容易；达到0.01K的精度，已属于比较高的精度，并且此时对恒温域的大小有限制；达到0.001K的精度，是非常困难的，并且当要求达到0.001K精度时，无论是温度采集系统还是温度传感器的标定，实现起来均有相当难度。同时，在这种观测精度要求下，对软硬件技术以及结构设计等方面，均有相当高的要求，且价格不菲。

目前，市场上缺乏满足要求的成熟的温度测量产品，其中一些产品的某些技术指标达到要求，但整体性能往往差强人意。温度传感器的一致性标定一直是野外基岩地温观测的难题之一。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种成本低并且能够高精度地实现温度标定的温度传感器的一致性标定系统和方法。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种温度传感器的一致性标定系统，所述一致性标定系统包括恒温箱和标定容器，所述标定容器置于所述恒温箱中，所述恒温箱提供一级恒温域以实现一级恒温；所述标定容器提供二级恒温域以实现二级恒温；并且当所述二级恒温域在所述一级恒温域中达到热平衡时，所述二级恒温域能够用于对温度传感器进行温度一致性标定。

进一步地，所述恒温箱采用恒温水槽或恒温油槽进行一级恒温。

进一步地，所述标定容器由热导率不同的多层材料构成，并且热导率较大的材料所在的区域用作所述二级恒温域。

进一步地，所述标定容器由热导率不同的两层材料构成，其中，内层材料的热导率大于外层材料的热导率，并且等厚的外层材料从四周包裹内层材料。

进一步地，所述标定容器的两层材料各自的热导率和厚度与所述一级恒温域的温度波动幅度和所述二级恒温域的温度波动幅度满足下式：

其中，ΔT_c为所述二级恒温域的温度波动幅度；ΔT为所述一级恒温域的温度波动幅度；a＝K2/K1，K1为所述外层材料的热导率，K2为所述内层材料的热导率；b＝x1/x2，x1为所述外层材料的厚度，x2为所述内层材料的厚度。

进一步地，所述标定容器在所述内层材料的上部设有多个用于插置温度传感器的温度传感器孔。

进一步地，所述多个温度传感器孔中的一个用于放置标准温度传感器，其余的温度传感器孔用于放置待标定的温度传感器，所述标准温度传感器和所述待标定的温度传感器通过引线连接到温度采集系统。

一种温度传感器的一致性标定方法，所述一致性标定方法包括：提供一级恒温域；提供二级恒温域；当所述二级恒温域在所述一级恒温域中达到热平衡时，所述二级恒温域能够用于对温度传感器进行一致性标定。

进一步地，所述一致性标定方法还包括：通过采用恒温水槽或恒温油槽进行一级恒温的恒温箱来提供所述一级恒温域；通过由热导率不同的多层材料构成的标定容器来提供所述二级恒温域，其中，所述标定容器中热导率较大的材料所在的区域用作所述二级恒温域。

进一步地，所述一致性标定方法还包括：根据温度传感器一致性标定的精度要求，选择提供所述一级恒温域的恒温箱，并确定构成所述标定容器的多层材料各自的热导率和厚度。

本发明的有益效果在于：

本发明的温度传感器的一致性标定系统和方法利用多层厚壁传热理论，采用分级恒温来进行温度传感器的一致性标定，其原理简单；本发明的温度传感器的一致性标定系统和方法能够实现高的精度，可达到0.001K及以上的量级；并且各级恒温均比较容易实现，大大降低了温度传感器的一致性标定的成本和技术实现难度。

通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他方面将变得清楚。

附图说明

图1是本发明的温度一致性标定原理的多层厚壁的示意图。

图2是本发明的温度传感器的一致性标定系统的示意图。

图3是本发明的标定容器的剖视示意图。

图4是本发明的温度传感器的一致性标定方法的示意图。

附图标记

1 恒温箱

2 标定容器

21 外层材料

22 内层材料

3 传感器孔

K1 外层材料的热导率

K2 内层材料的热导率

ΔT 一级恒温域的温度波动幅度

ΔT_c 二级恒温域的温度波动幅度

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，请注意，以下实施例对本发明仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本发明的范围。

首先，介绍本发明的原理。

本发明利用多层厚壁传热理论，采用分级恒温来进行温度传感器的一致性标定。具体地，通过例如一级恒温和二级恒温来实现高精度的温度一致性标定。

图1为例示本发明的温度一致性标定原理的多层厚壁的示意图。如图1所示，多层厚壁由3种材料组成，分为3层，分别是第一层、第二层和第三层。设第一层、第二层和第三层的厚度分别为x1、x2和x3，热导率分别为K1、K2和K3。第一层至第三层以及外界之间形成4个分界面，设4个分界面的温度分别为t1、t2、t3、t4。其中，t1和t4分别是多层厚壁与外界接触面的温度，t2和t3为多层厚壁的内部界面的温度。

根据热传导理论，当热平衡时，有：

其中，

假设不同温度传感器的一致性要求达到ΔT_c，那么用于标定的目标温度场的温度波动幅度应小于或等于ΔT_c。当达到热平衡时，如果t2与t3的温度差小于或等于ΔT_c，即当ΔT_c≥t2-t3时，则第二层的温度可用作温度传感器一致性标定的目标温度场。下面，以取ΔT_c≡t2-t3的情况为例来进行说明，即，取目标温度场(二级恒温域)的温度波动幅度为ΔT_c。

在实际中，为了更好的提高内部温度精度，从对称性的角度，取K1＝K3，x1＝x3，即第一层和第三层选用同一种材料，并且第一层和第三层的厚度相同。

假设第二层与第一层的热导率之比K2/K1为a，第一层与第二层的厚度之比x1/x2为b，即令K2/K1＝a，x1/x2＝b，则有：

如上文所述，(t1-t4)代表多层厚壁的外界温度差。可以看到，本发明的温度传感器一致性标定的精度取决于(t1-t4)以及1/(2ab+1)。记1/(2ab+1)为A，称A为精度提升系数，即：

例如，列举如下示例，选取如下的材料和参数：

1)取K2＝401W/mK(铜)，K1＝0.2W/mK(尼龙),则有：a＝2005(在下文的描述中，为了使计算简便，将a取近似值2000)；

2)取x1＝x3＝4cm，x2＝8cm，则有：b＝1/2。因此：

在实际中，1K的温度变化的环境是很容易实现的，如果ΔT＝t1-t4＝1K，其中，ΔT为一级恒温域的温度波动幅度，则ΔT_c＝0.0005K＝0.5mK。而目前的恒温箱很容易达到0.1K的精度，此时ΔT_c可达到0.05mK。

由此可见，本发明的一级恒温为多层厚壁的外界温度的恒温，二级恒温为用于标定的目标温度场的恒温。本发明的温度标定精度取决于精度提升系数A与ΔT的乘积。因此通过适当地调整多层厚壁的外界温度差，并且针对第一层至第三层选取不同的材料和厚度，就能够实现所需精度的温度标定。

以上是本发明所依据的原理。在上述说明中，为了理论分析的完整性，选用了第一层至第三层三种材料，而在实际应用中可以省略第三层，即只需选择第一层(外层)和第二层(内层)两种材料和厚度即可。

本发明利用多层厚壁传热理论，采用分级恒温来进行温度传感器的一致性标定，能够实现的精度远远高于目前市场上的温度标定系统，可达到0.001K及以上的量级。

下面，详细介绍本发明的温度传感器的一致性标定系统。

图2是例示根据本发明的温度传感器的一致性标定系统的示意图。如图2所示，本发明的温度传感器的一致性标定系统包括恒温箱1和标定容器2。恒温箱1实现作为一级恒温的外界温度恒温，标定容器2实现作为二级恒温的目标温度场恒温。

在本发明中，恒温箱1可以采用恒温水(或者油)槽进行一级恒温。一级恒温的本质是温度波动幅度为ΔT的水(或者油)域。在本实施例中，恒温箱1为能够实现0.1K精度级别的恒温水箱。恒温箱精度的选取主要考虑标定的目标精度和精度提升系数A的大小。理论上看，ΔT越小越好，但是ΔT越小意味着精度越高，实现起来更难。如果A能达到0.001的情况，ΔT只需要达到0.1K，就可以实现0.0001K的精度。由于A的值一般为0.001，这意味着，要达到0.1mK的目标精度，只需要一级恒温达到0.1K即可。

图3为例示根据本发明的标定容器2的剖视示意图。所述标定容器2为由热导率不同的两层材料构成的圆柱形，并且等厚的外层材料21从四周包裹内层材料22。其中，内层材料22的热导率大于外层材料21的热导率。内层材料22和外层材料21的热导率的关系为K2/K1＝a，其中，a值越大，越有利于实现高精度。

此外，从实用性考虑，内层材料22可选用高导热材料，如铜，热导率K2为401W/mK，外层材料21可选用低导热材料，如尼龙，热导率K1为0.2W/mK，则a≈2000。外层材料21和内层材料22的厚度的关系为x1/x2＝b，其中，b值越大越有利于实现高精度。实际上，如果外层材料21的厚度x1太大，则不利于实现热平衡；如果内层材料22的厚度x2太小，又不利于待标定温度传感器的安置。在本实例中，a≈2000，选取b值为1/2或1/4，能使精度提升系数A达到0.0005或0.001。此时，选用0.1K的一级恒温，便可分别达到0.05mK或0.1mK的精度。

另外，如图2所示，所述标定容器2在内层材料22的上部设有多个用于插置温度传感器的温度传感器孔3。多个温度传感器孔中的一个用于放置标准温度传感器，其余的温度传感器孔用于放置待标定的温度传感器。待标定的温度传感器和标准温度传感器可以通过引线连接到外部装置，例如温度采集系统，以进行温度值的获取、记录以及后续的分析和处理。在进行温度标定时，将插置有多个待标定的温度传感器及标准温度传感器的标定容器2放入恒温箱1中进行恒温，标定容器2内部即可达到标定所需的目标温度，温度采集系统分别获取并记录标准温度传感器的值和待标定的温度传感的值，进而对待标定的温度传感器进行标定。

可见，本发明的温度传感器的一致性标定系统比较容易地实现了各级恒温，大大降低了温度传感器一致性标定的成本和技术实现难度。

下面，说明本发明的温度传感器的一致性标定方法。

如图4所示，为本发明的温度传感器的一致性标定方法的示意图。

首先，在步骤S01中，确定温度传感器一致性标定的精度要求，即，确定目标精度。

其次，在步骤S02中，根据目标精度，选取合适的恒温箱1并制作由热导率不同的两层材料构成的圆柱形的标定容器2。具体地，根据目标精度，确定二级恒温域的温度波动幅度ΔT_c，选取合适的恒温箱1，然后根据式(4)确定构成标定容器2的两层材料各自的热导率和厚度，制作标定容器2。例如，根据目标精度，确定二级恒温域的温度波动幅度ΔT_c；选取合适的用于进行一级恒温的外部恒温水(油)域，确定ΔT，在此，选取精度为0.1K的恒温箱；同时，针对标定容器2，选取两种热导率不同的材料，内层材料22的热导率为K2，外层材料21的热导率为K1，由此确定内层材料22与外层材料21的热导率之比，即系数a；选取合适的尺寸比，确定外层材料21与内层材料22的厚度之比，即系数b；制成由热导率不同的两层材料构成的圆柱形的标定容器2。

然后，在步骤S03中，使恒温箱1进行一级恒温，如图2中所示，ΔT为一级恒温域的温度波动幅度。

进一步地，在步骤S04中，使插置有多个待标定的温度传感器及标准温度传感器的标定容器2完全置于恒温箱1(即完全置于一级恒温域)中进行二级恒温，静置一段时间，以使标定容器2达到热平衡，标定容器2的内层材料22即可达到标定所需的目标温度。如图2所示，ΔT_c为二级恒温域的温度波动幅度，其中，K2热导率所代表的材料区域(即标定容器2的内层材料22)均可用作标定，进而对待标定的温度传感器进行温度标定。

最后，在步骤S05中，对待标定的温度传感器进行温度标定。具体地，分别使一级恒温域的温度调节到所选择的若干温度点，当每次标定容器2内部达到标定所需的目标温度时，利用温度采集系统分别获取并记录在该温度点下的标准温度传感器的值和待标定的温度传感的值，然后进行比对，获得一系列的对应差值，经多次升温、降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为待标定的温度传感器的修正量，从而实现对待标定的温度传感器的标定。

由此，本发明根据分级恒温，可以实现高精度地对温度传感器的一致性标定。根据分级恒温，选取不同的结构和材料，可以得到不同的a和b，也就得到了不同的精度。反之，可以根据不同的精度要求，选取不同的结构和材料，来进行符合精度要求的温度一致性标定。

以下列举选取不同材料和厚度制作标定容器2时可达到的精度的示例。

采用两种材料组成的标定容器2的圆柱形设计，外层材料21为尼龙，内部材料22为铜。尼龙和铜的热导率分别为：K1＝0.2W/mK和K2＝401W/mK。这样，a≈2000；x1＝3cm，x2＝14cm，有ΔT_c＝0.00116ΔT。如果ΔT＝0.1K，理论上一致性标定可以达到0.116mK。由于加工精度、测量孔封装等因素的综合影响，实际试验中达到了1mK的精度。

请注意，在本发明的标定容器2中，具体描述了具有外层和内层两层材料的结构的标定容器作为示例，然而，本发明的标定容器2不限于两层结构，其可以是三层或更多层的结构。另外，本发明描述了标定容器2为圆柱形作为实施例，然而，标定容器2的形状不限于圆柱形，可以是其他合适的形状，比如方形等。另外，本发明还描述了将插置有多个待标定的温度传感器及标准温度传感器的标定容器2放入恒温箱1中进行恒温；然而，布置的方式不限于此，也可以先将标定容器2放入恒温箱1中，然后插置多个待标定的温度传感器及标准温度传感器；两者的区别是：前者受到的外界干扰因素较少，因而可以达到更高的精度。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种温度传感器的一致性标定系统，其特征在于，所述一致性标定系统包括恒温箱和标定容器，所述标定容器置于所述恒温箱中，

所述恒温箱提供一级恒温域以实现一级恒温；

所述标定容器提供二级恒温域以实现二级恒温；并且

当所述二级恒温域在所述一级恒温域中达到热平衡时，所述二级恒温域能够用于对温度传感器进行温度一致性标定。

2.根据权利要求1所述的一致性标定系统，其特征在于：所述恒温箱采用恒温水槽或恒温油槽进行一级恒温。

3.根据权利要求1所述的一致性标定系统，其特征在于：所述标定容器由热导率不同的多层材料构成，并且热导率较大的材料所在的区域用作所述二级恒温域。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一致性标定系统，其特征在于：所述标定容器由热导率不同的两层材料构成，其中，内层材料的热导率大于外层材料的热导率，并且等厚的外层材料从四周包裹内层材料。

5.根据权利要求4所述的一致性标定系统，其特征在于：

所述标定容器的两层材料各自的热导率和厚度与所述一级恒温域的温度波动幅度和所述二级恒温域的温度波动幅度满足下式：

${\mathrm{\ΔT}}_c=\frac{1}{2ab+1}\mathrm{\Δ}T,$

其中，ΔT_c为所述二级恒温域的温度波动幅度；ΔT为所述一级恒温域的温度波动幅度；a＝K2/K1，K1为所述外层材料的热导率，K2为所述内层材料的热导率；b＝x1/x2，x1为所述外层材料的厚度，x2为所述内层材料的厚度。

6.根据权利要求5所述的一致性标定系统，其特征在于：所述标定容器在所述内层材料的上部设有多个用于插置温度传感器的温度传感器孔。

7.根据权利要求6所述的一致性标定系统，其特征在于：所述多个温度传感器孔中的一个用于放置标准温度传感器，其余的温度传感器孔用于放置待标定的温度传感器，所述标准温度传感器和所述待标定的温度传感器通过引线连接到温度采集系统。

8.一种温度传感器的一致性标定方法，所述一致性标定方法包括：

提供一级恒温域；

提供二级恒温域；

当所述二级恒温域在所述一级恒温域中达到热平衡时，所述二级恒温域能够用于对温度传感器进行一致性标定。

9.根据权利要求8所述的一致性标定方法，所述一致性标定方法还包括：

通过采用恒温水槽或恒温油槽进行一级恒温的恒温箱来提供所述一级恒温域；

通过由热导率不同的多层材料构成的标定容器来提供所述二级恒温域，其中，所述标定容器中热导率较大的材料所在的区域用作所述二级恒温域。

10.根据权利要求9所述的一致性标定方法，所述一致性标定方法还包括：

根据温度传感器一致性标定的精度要求，选择提供所述一级恒温域的恒温箱，并确定构成所述标定容器的多层材料各自的热导率和厚度。