CN106679848A - 一种利用普通温度传感器快速测温的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业测温技术领域，具体涉及一种利用普通温度传感器快速测温的方法，包括以下步骤：S1、建立温度‑时间响应模型，得出温度传感器输出温度与时间的关系曲线，用多项式拟合关系曲线，得到由多项式的系数构成的系数矩阵；S2、将温度传感器放入被测环境，测量得到多个时刻下温度传感器的实测温度，多个时刻均远小于热平衡时间；S3、根据系数矩阵、多项式，以及步骤S2中的时刻、实测温度通过计算方法得出最终温度。本发明在正式测温时仅测量远小于热平衡时间的多个时刻的实测温度，再结合系数矩阵和多项式即可计算得出待测温度，整个测量和计算过程所需的时间远小于热平衡时间，实现了利用普通温度传感器的快速测温。

Description

一种利用普通温度传感器快速测温的方法

技术领域

本发明属于工业测温技术领域，具体涉及一种利用普通温度传感器快速测温的方法。

背景技术

在工业应用中，大量使用温度传感器测量制造工艺过程中的实时温度，用温度数据来监控制造过程执行情况或作为改造工艺参数的重要依据。在温度测量过程中，温度传感器的热平衡过程总需要一定的时间，我们在此将传感器开始工作到热平衡状态所消耗的时间称为热平衡时间。严格来说，从测温开始必须等待大于热平衡时间之后得到的温度才是被测件的准确温度。因此在实际生产过程中，使用普通温度传感器的企业往往需要在测温环节等待较长时间，或者抛弃普通传感器转而寻求其他成本高昂的测温方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用普通温度传感器快速测温的方法，该方法可以很好地解决采用普通温度传感器测温耗时较长的问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种利用普通温度传感器快速测温的方法，包括以下步骤：

S1、建立温度-时间响应模型，通过实验方法得到温度传感器在不同条件下输出温度与时间的关系曲线，采用多项式拟合所述关系曲线，得到由多项式系数构成的系数矩阵；

S2、将温度传感器放入被测环境，测量得到多个时刻下温度传感器的实测温度，所述多个时刻均远小于热平衡时间；

S3、根据所述系数矩阵、多项式，以及步骤S2中的多个时刻和实测温度计算得出待测温度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在测量之前先计算出指定温度传感器的系数矩阵，在正式测温时仅测量远小于热平衡时间的多个时刻的输出温度，再结合系数矩阵和多项式即可计算得出待测温度，整个测量和计算过程所需的时间远小于热平衡时间，实现了利用普通温度传感器的快速测温。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的流程示意图；

图2为温度随时间变化的二维曲线。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

如图1所示，本实施例提供一种利用普通温度传感器快速测温的方法，包括以下步骤：

S1、建立温度-时间响应模型，通过实验方法得到温度传感器在不同条件下输出温度与时间的关系曲线，采用多项式拟合关系曲线，得到由多项式的系数构成的系数矩阵；

S11、建立温度-时间响应模型，通过实验方法得到温度传感器输出温度与时间的关系曲线，采用多项式拟合关系曲线；

根据数学理论可知，任意的一条连续二维曲线，可以用多项式f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_nxⁿ的形式进行拟合逼近。将温度传感器的输出温度值随时间变化的关系可以画出一条曲线，曲线的一般形式如图2所示，表征了温度传感器在某待测温度条件下的测温过程中，输出温度随时间变化的关系，其中T₀表示温度传感器已达到热平衡状态，传感器的输出温度基本保持稳定。需要特别注意的是，同一型号传感器在不同待测温度条件下的曲线形状一般是不同的。根据二维曲线的多项式表示方法，可以将温度传感器在待测温度T_m下的输出温度表示为：

C(t)|_Tm＝a_m0+a_m1t+a_m2t²+...+a_mntⁿ；

其中，为温度传感器的输出温度，t为测量时间，a_m0,a_m1,...a_mn为T_m温度下多项式的系数；

S12、在需要测量的温度范围内选择温度点[T₁,T₂,...,T_m]，将外部环境温度依次固定在已选择的温度点，并在每个温度下记录温度传感器在多个时刻[t_m1,t_m2,...,t_mn]下对应的输出温度[c_m1,c_m2,...,c_mn]，t_mn应大于温度计热平衡所需的时间；

S13、根据多项式及步骤S12中记录的多个时刻和输出温度，计算得出在不同待测温度条件下多项式的系数，并由系数构成系数矩阵；

步骤S12、S13具体操作如下：

控制外部环境温度固定为T₁，放入指定型号传感器并开始计时，得到时间[t₁₁,t₁₂,...,t_1n]下对应的输出温度[c₁₁,c₁₂,...,c_1n]，采用最小二乘法拟合算法，可以计算得到在条件T₁下，多项式的系数[a₁₀,a₁₁,...,a_1n]；

将外部环境温度固定为T₂，放入指定型号传感器并开始计时，得到时间[t₂₁,t₂₂,...,t_2n]下对应的输出温度[c₂₁,c₂₂,...,c_2n]，采用最小二乘法拟合算法，可以计算得到在T₂条件下，多项式的系数[a₂₀,a₂₁,...,a_2n]；

以此类推，得到T_m条件下多项式的系数[a_m0,a_m1,...a_mn]，将以上系数构成系数矩阵H如下：

在实际应用中，一般取n＝5即可得到较为准确的曲线逼近效果，也可根据实际情况调整n的取值。系数矩阵H完整表示了该型号传感器在不同待测温度条件下，输出温度信号随时间的变化特征。

S2、将温度传感器放入被测环境，测量得到多个时刻T_time＝[t₁,t₂,...,t_n]下温度传感器的实测温度C＝[c₁,c₂,...,c_n]，多个时刻均远小于热平衡时间T₀；此处的时刻数量与步骤S12中的时刻数量相同；

S3、根据系数矩阵、多项式，以及步骤S2中的多个时刻和实测温度计算得出待测温度；

S31、根据系数矩阵和多项式，计算得出步骤S2中每个时刻下的计算温度；具体如下：

将步骤S2中的t₁和系数矩阵的每一行代入多项式，得到在t₁时刻下的计算温度C₁＝[c₁₁,c₁₂,...,c_1m]；

将步骤S2中的t₂和系数矩阵的每一行代入多项式，得到在t₂时刻下的计算温度C₂＝[c₂₁,c₂₂,...,c_2m]；

同理，得到t_n时刻下的计算温度C_n＝[c_n1,c_n2,...,c_nm]；

S32、计算同一时刻下计算温度与步骤S2中实测温度的差值，并将步骤S2中所有时刻下计算温度与实测温度的差值构成偏离矩阵；具体如下：

在t₁时刻下，实测温度c₁与计算温度C₁＝[c₁₁,c₁₂,...,c_1m]的差值为C_{1_delta}＝[c₁-c₁₁,c₁-c₁₂,...,c₁-c_1m]；

在t₂时刻下，实测温度c₂与计算温度C₂＝[c₂₁,c₂₂,...,c_2m]的差值为C_{2_delta}＝[c₂-c₂₁,c₂-c₂₂,...,c₂-c_2m]；

同理，在t_n时刻下实测温度c_n与计算温度C_n＝[c_n1,c_n2,...,c_nm]的差值为C_{m_delta}＝[c_n-c_n1,c_n-c_n2,...,c_n-c_nm]；

将上述差值组成偏离矩阵C_delta＝[C_{1_delta} ^T,C_{2_delta} ^T,...,C_{m_delta} ^T]；

S33、对偏离矩阵中的每一行所有元素进行平方和运算，选取平方和最小的那一行系数，平方和最小的一行下标记为b，对应系数矩阵中的系数为[a_b0,a_b1,...,a_bn]，1<b<m；

S34、多项式中t取远大于热平衡时间T₀的t₀，多项式的系数取步骤S33得到的[a_b0,a_b1,...,a_bn]，根据下式：

C_meas＝a_b0+a_b1t₀+a_b2t₀ ²+...+a_bnt₀ ⁿ，

计算即可得出待测温度。

以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。

Claims (3)

1.一种利用普通温度传感器快速测温的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立温度-时间响应模型，通过实验方法得到温度传感器在不同条件下输出温度与时间的关系曲线，采用多项式拟合所述关系曲线，得到由多项式的系数构成的系数矩阵；

S2、将温度传感器放入被测环境，测量得到多个时刻下温度传感器的实测温度，所述多个时刻均远小于热平衡时间；

S3、根据所述系数矩阵、多项式，以及步骤S2中的多个时刻和实测温度计算得出待测温度。

2.根据权利要求1所述的利用普通温度传感器快速测温的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11、建立温度-时间响应模型，通过实验方法得到温度传感器输出温度与时间的关系曲线，用多项式拟合所述关系曲线：

C(t)|_Tm＝a_m0+a_m1t+a_m2t²+...+a_mntⁿ；

其中，为温度传感器的输出温度，t为测量时间，a_m0,a_m1,...a_mn为T_m温度下多项式的系数；

S12、在需要测量的温度范围内选择温度点[T₁,T₂,...,T_m]，将外部环境温度依次固定在已选择的温度点，并在每个温度下记录温度传感器在多个时刻[t_m1,t_m2,...,t_mn]下对应的输出温度[c_m1,c_m2,...,c_mn]，t_mn应大于温度计热平衡所需的时间；

S13、根据多项式及步骤S12中记录的多个时刻和输出温度，计算得出在不同待测温度条件下多项式的系数，并由所述系数构成系数矩阵；

$H=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{10}& a_{11}& ...& a_{1n}\\ a_{20}& a_{21}& ...& a_{2n}\\ ...& ...& ...& ...\\ a_{m0}& a_{m1}& ...& a_{mn}\end{array}\right]$

其中，H为系数矩阵，a₁₀,a₁₁,...a_1n为T₁温度下多项式的系数，a₂₀,a₂₁,...a_2n为T₂温度下多项式的系数，a_m0,a_m1,...a_mn为T_m温度下多项式的系数。

3.根据权利要求2所述的利用普通温度传感器快速测温的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、根据所述系数矩阵和多项式，计算得出步骤S2中每个时刻下的计算温度；

S32、计算同一时刻下计算温度与步骤S2中实测温度的差值，并将步骤S2中所有时刻下计算温度与实测温度的差值构成偏离矩阵；

S33、对偏离矩阵中的每一行所有元素进行平方和运算，选取平方和最小的系数[a_b0,a_b1,...,a_bn]，1<b<m；

S34、根据所述多项式、系数[a_b0,a_b1,...,a_bn]和远大于热平衡时间的时间值计算得出待测温度。