CN106959170A - 用于测量材料内部温度的敏感元件及基于该敏感元件的温度传感器 - Google Patents

Abstract

用于测量材料内部温度的敏感元件及基于该敏感元件的温度传感器，涉及温度传感器，为了解决现有的传感器会影响温度场，从而降低测量精度的问题。敏感元件包括热敏电阻和热隐身层；热敏电阻外均匀覆盖一层不对自身以外的温度场产生影响的热隐身层。温度传感器包括敏感元件、测量处理电路和电源；敏感元件的输出端与测量处理电路的测量信号输入端相连，测量处理电路用于输出温度值，电源用于为测量处理电路供电。本发明适用于测量材料内部的温度。

Description

用于测量材料内部温度的敏感元件及基于该敏感元件的温度 传感器

技术领域

本发明涉及温度传感器。

背景技术

温度传感器通常被应用于诸多领域以测量温度。为了实现精确的温度测量，通常期望传感器自身对被测温度场产生较小影响，特别是在传感器的位置处，因为传感器的敏感元件与待测材料性质的不同，会引起材料中温度场的改变，进而影响测量本身。

传统的温度传感器无法消除上述内容产生的误差，其测量结果反映的是被改变以后的温度场，测量精度不可避免的受到限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的传感器会影响温度场，从而降低测量精度的问题，从而提供用于测量材料内部温度的敏感元件及基于该敏感元件的温度传感器。

本发明所述的用于测量材料内部温度的敏感元件，包括热敏电阻和热隐身层；

热敏电阻外均匀覆盖一层不对自身以外的温度场产生影响的热隐身层。

优选的是，热敏电阻为圆柱状，半径为r处的热隐身层的热传导参数σ′_C取值为：

各向异性的待测材料的热传导系数σ_C为：σ_C＝diag(σ_r,σ_θ,σ_z)，σ_r、σ_θ和σ_z分别为热传导系数的极径方向、极角方向和Z轴方向的分量；R₁同时为热敏电阻的半径及热隐身层的内径，R₂为热隐身层的外径。

优选的是，热敏电阻为球状，半径为r处的热隐身层的热传导参数σ′_C取值为：

各向异性的待测材料的热传导系数σ_C为：σ_C＝diag(σ_r,σ_θ,σ_z)，σ_r、σ_θ和σ_z分别为热传导系数的极径方向、极角方向和Z轴方向的分量；R₁同时为热敏电阻的半径及热隐身层的内径，R₂为热隐身层的外径。

优选的是，热敏电阻为圆柱状，热隐身层的热传导参数σ′_I为：

其中，k₀为热隐身层的径向热传导系数，R₁同时为热敏电阻的半径及热隐身层的内径，R₂为热隐身层的外径；

各向同性的待测材料的热传导系数k满足如下条件：

本发明所述的基于所述用于测量材料内部温度的敏感元件的温度传感器，包括敏感元件、测量处理电路和电源；

敏感元件的输出端与测量处理电路的测量信号输入端相连，测量处理电路用于输出温度值，电源用于为测量处理电路供电。

本发明的有益效果为：敏感元件不对自身以外的温度场产生影响，在所测处，被测量值与真实值一致。因此，测量结果反映出置入温度传感器之前的真实温度分布，提高了测量精度。

本发明适用于测量材料内部的温度。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的用于测量材料内部温度的敏感元件的结构示意图；

图2是具体实施方式五所述的基于用于测量材料内部温度的敏感元件的温度传感器的结构示意图；

图3是具体实施方式五中没有传感器时待测材料中温度场分布；

图4是具体实施方式五中采用现有传感器时待测材料中的温度场分布；

图5是具体实施方式五中采用本发明的传感器时待测材料中的温度场分布；

图6是具体实施方式五中不同情况下待测材料中x＝-2mm处温度变化曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的用于测量材料内部温度的敏感元件，包括热敏电阻1和热隐身层2；

热敏电阻1外均匀覆盖一层不对自身以外的温度场产生影响的热隐身层2。

本实施方式中热隐身层2对其周围环境的温度无任何影响，采用热隐身层2的外壁作为测温的部位，消除了传感器本身对被测量的影响，提高了测量精度。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于测量材料内部温度的敏感元件作进一步说明，本实施方式中，热敏电阻1为圆柱状，半径为r处的热隐身层2的热传导参数σ′_C取值为：

各向异性的待测材料6的热传导系数σ_C为：σ_C＝diag(σ_r,σ_θ,σ_z)，σ_r、σ_θ和σ_z分别为热传导系数的极径方向、极角方向和Z轴方向的分量；R₁同时为热敏电阻1的半径及热隐身层2的内径，R₂为热隐身层2的外径。

对于圆柱状的热敏电阻，热隐身层2的热传导参数根据公式1进行设置。热隐身层2采用公式1的热传导参数可保证不对自身以外的温度场产生影响，很大程度地提高了测量精度。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于测量材料内部温度的敏感元件作进一步说明，本实施方式中，热敏电阻1为球状，半径为r处的热隐身层2的热传导参数σ′_C取值为：

各向异性的待测材料6的热传导系数σ_C为：σ_C＝diag(σ_r,σ_θ,σ_z)，σ_r、σ_θ和σ_z分别为热传导系数的极径方向、极角方向和Z轴方向的分量；R₁同时为球的半径及热隐身层2的内径，R₂为热隐身层2的外径。

对于球状的热敏电阻，热隐身层2的热传导参数根据公式2进行设置。热隐身层2采用公式2的热传导参数可保证不对自身以外的温度场产生影响，很大程度地提高了测量精度。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于测量材料内部温度的敏感元件作进一步说明，本实施方式中，热敏电阻1为圆柱状，热隐身层2的热传导参数σ′_I为：

其中，k₀为热隐身层2的径向热传导系数，R₁同时为热敏电阻1的半径及热隐身层2的内径，R₂为热隐身层2的外径；

各向同性的待测材料6的热传导系数k满足如下条件：

具体实施方式二和三中待测材料6为各向异性材料，热隐身层热传导参数随着r而变化，且仅适用于指定的被测材料，这在工程上实现较为困难且应用有限。然而，对于各项同性被测材料，可以简化公式1。设置均匀厚度的柱状热隐身层，热传导参数为公式3。在温度测量最大允许误差为10％的条件下，则只要待测材料6的热传导系数k满足如下约束条件，即可实现本发明目的：

从而，热隐身层热传导参数为定值，不随r而变化，在工程上容易实现，而且满足约束条件即公式4的被测材料均可以使用，扩大了其应用范围。

具体实施方式五：结合图2至图6具体说明本实施方式，基于上述任意一项实施方式所述的用于测量材料内部温度的敏感元件的温度传感器，包括敏感元件3、测量处理电路4和电源5；

敏感元件3的输出端与测量处理电路4的测量信号输入端相连，测量处理电路4用于输出温度值，电源5用于为测量处理电路4供电。

待测材料取为各向同性材料，热传导系数为1W/(m·K)，敏感元件中热敏电阻1的热传导系数设为0.1W/(m·K)，根据公式(1)设计热隐身层2的材料参数。

图3为没有传感器时的温度场。此时待测材料中的温度场不受任何影响，为真实的温度场分布。

图4为包含现有传感器时的温度场。受现有传感器的热敏元件影响，待测材料中的温度场分布发生了变化。此时传感器测量结果反映的是改变后的温度场，与真实温度场存在偏差。

图5为包含本实施方式的传感器时的温度场。虽然待测材料中存在敏感元件，但是敏感元件以外的温度场并未受影响，即被测量区域的温度场没有被改变，此时传感器测量结果反映的是与图3中温度场相同的真实温度场分布。

图6为敏感元件边缘即热隐身层2的外壁，即x＝-2mm处，没有传感器、设置现有传感器以及本发明的传感器的三种情况下的温度变化曲线。采用现有的传感器时越靠近敏感元件处，温度场受到的影响越大，与真实温度场偏差就越大。因此，现有的传感器的被测量是图4中被改变以后的温度场，这一部分误差无法避免。采用本发明的传感器与没有传感器时测得的曲线重合，本发明的传感器采用了两层式的新型敏感元件，没有改变待测材料中被测区域的温度场，因而消除了现有传感器的这部分偏差。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.用于测量材料内部温度的敏感元件，其特征在于，包括热敏电阻(1)和热隐身层(2)；

热敏电阻(1)外均匀覆盖一层不对自身以外的温度场产生影响的热隐身层(2)。

2.根据权利要求1所述的用于测量材料内部温度的敏感元件，其特征在于，热敏电阻(1)为圆柱状，半径为r处的热隐身层(2)的热传导参数σ′_C取值为：

${\mathrm{\σ}}_C^{\′}=diag\[\frac{r-R_1}{r}{\mathrm{\σ}}_r,\frac{r}{r-R_1}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}},{\left(\frac{R_2}{R_2-R_1}\right)}^2\frac{r-R_1}{r}{\mathrm{\σ}}_z\],R_1\≤r\≤R_2$

各向异性的待测材料(6)的热传导系数σ_C为：σ_C＝diag(σ_r,σ_θ,σ_z)，σ_r、σ_θ和σ_z分别为热传导系数的极径方向、极角方向和Z轴方向的分量；R₁同时为热敏电阻(1)的半径及热隐身层(2)的内径，R₂为热隐身层(2)的外径。

3.根据权利要求1所述的用于测量材料内部温度的敏感元件，其特征在于，热敏电阻(1)为球状，半径为r处的热隐身层(2)的热传导参数σ′_C取值为：

${\mathrm{\σ}}_C^{\′}=diag\[\frac{R_2}{R_2-R_1}{\left(\frac{r-R_1}{r}\right)}^2{\mathrm{\σ}}_r,\frac{R_2}{R_2-R_1}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}},\frac{R_2}{R_2-R_1}{\mathrm{\σ}}_z\],R_1\≤r\≤R_2$

各向异性的待测材料(6)的热传导系数σ_C为：σ_C＝diag(σ_r,σ_θ,σ_z)，σ_r、σ_θ和σ_z分别为热传导系数的极径方向、极角方向和Z轴方向的分量；R₁同时为热敏电阻(1)的半径及热隐身层(2)的内径，R₂为热隐身层(2)的外径。

4.根据权利要求1所述的用于测量材料内部温度的敏感元件，其特征在于，热敏电阻(1)为圆柱状，热隐身层(2)的热传导参数σ′_I为：

${\mathrm{\σ}}_I^{\′}=diag\[k_0,\frac{1}{k_0},{\left(\frac{R_2}{R_2-R_1}\right)}^2{k}_0\]$

其中，k₀为热隐身层(2)的径向热传导系数，R₁同时为热敏电阻(1)的半径及热隐身层(2)的内径，R₂为热隐身层(2)的外径；

各向同性的待测材料(6)的热传导系数k满足如下条件：

$k_0\≤k\≤\frac{k_0}{0.23}.$

5.基于上述任意一项权利要求所述的用于测量材料内部温度的敏感元件的温度传感器，其特征在于，包括敏感元件(3)、测量处理电路(4)和电源(5)；

敏感元件(3)的输出端与测量处理电路(4)的测量信号输入端相连，测量处理电路(4)用于输出温度值，电源(5)用于为测量处理电路(4)供电。