CN107764427B - 一种非接触式金属温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种非接触式金属温度测量装置。包括温度检测单元和被测金属物体；所述温度检测单元包括微控制器、振荡驱动电路、振荡电路和振荡监测电路，微控制器用于向振荡驱动电路输出控制信号，由振荡驱动电路驱动振荡电路发生振荡；所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在谐振作用下产生变化的磁场并作用于被测金属物体；所述振荡监测电路用于监测检测线圈的振荡电压变化信号并传输给微控制器。本发明基于电磁感应原理和涡流效应，实现在有遮挡情况下的无接触金属温度测量，通过布设振荡电路，监测振荡电路的振荡周期，根据预先检定的振荡周期‑温度对应关系，获知被测金属物体的温度值。

Description

一种非接触式金属温度测量装置

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种非接触式金属温度测量装置。

背景技术

目前温度测量主要分为两类：接触式温度测量和非接触式温度测量。接触式温度测量是使感温元件直接和被测温对象接触，利用热传输原理，当感温元件与被测温对象达到热平衡时，感温元件的温度即为被测温对象的温度。这种方式因感温元件与被测温对象需要进行充分的热交换，因此存在测温延迟现象。而且，受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式测温的典型方式是利用物体的热辐射原理，感温元件无需与被测温对象接触，通过采集物体表面发出的热辐射能量来获知物体的温度。这种非接触式测温方式只能适用于感温元件与被测温对象之间无遮挡的情况，一旦两者之间有遮挡，感温元件就不能接收到物体的热辐射能量，不能实现温度测量。对于这种情况，目前的接触式温度测量和基于热辐射的非接触式温度测量都将失去作用。

以上两种测温方式的缺陷在电磁炉和燃气灶温度测量上有很好的验证。电磁炉表面是一个不透明的微晶板，厚度约5mm左右，锅具放置在电磁炉的微晶板上方，加热线圈在电磁炉的微晶板下方，电磁炉目前对锅具测温，是通过在微晶板下方，紧贴一个接触式测温器件，测量微晶板的温度变化，它的温度测量过程是，锅具的温度先传给微晶板，微晶板再把温度传给测温器件，这种间接温度传导测量过程，使得测量误差相当大，很多时候，温度测量误差超过100度。另外，如果采用红外测温的方式，由于红外无接触测温只能可视测温，因此，红外测温仪只能安装在电磁炉外部，对准锅具采集其热辐射能量。但是红外无接触测温有个最大的缺点，即目标物体有不同的红外发射率，黑色无反光锅具红外发射率最高，温度测量最准确，但是对于表面闪亮的不锈钢锅具来说，它的红外发射率极低，红外无接触测温在这时候就无法测量温度。虽然通过调整红外测温仪的目标物体反射率，能一定程度校正物体温度测量值，但是对于光亮表面物体的温度测量，误差极大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种在有遮挡情况下仍可实现准确测温的非接触式金属温度测量装置，该装置是基于电磁感应原理，具体原理过程如下：

若线圈内流过的电流发生变化，会在线圈周围产生变化的磁场，若变化的磁场作用到金属导体上，会在金属导体内产生涡流。如果将金属材质的被测目标物体置于线圈的感应范围内，那么它会感应到线圈的磁场变化，并产生涡流。而金属导体自身的阻抗会影响到涡流电流的强度，进而影响到涡流所产生的感应磁场的强度，涡流所产生的感应磁场反作用到线圈上面，会影响到线圈的原有磁场。若将线圈设置于振荡电路中，就体现为线圈原有振荡周期和振荡电压的变化，根据振荡周期和振荡电压的影响强度，就能间接测出当前被测目标导体的阻抗值。由于导体的阻抗和温度有对应关系，标定出目标导体在不同距离、不同温度下线圈振荡周期或振荡电压值，测量时，根据这些已经标定过的检测结果，就能根据线圈的振荡周期或振荡电压推导出目标导体的阻抗及温度。

基于上述原理，本发明采用的具体技术方案为：

一种非接触式金属温度测量装置，包括温度检测单元和被测金属物体；所述温度检测单元包括微控制器、振荡驱动电路、振荡电路和振荡监测电路，微控制器用于向振荡驱动电路输出控制信号，由振荡驱动电路驱动振荡电路发生振荡；所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在谐振作用下产生变化的磁场并作用于被测金属物体，被测金属物体内产生涡流，其磁场反作用于检测线圈；所述振荡监测电路用于监测检测线圈的振荡电压变化信号并传输给微控制器，由微控制器根据振荡电压变化规律及预先标定的与温度的对应关系判断该变化规律所对应的被测金属物体的温度。

本发明通过设置振荡电路，利用检测线圈的变化磁场作用于被测金属物体，产生涡流，涡流的感应磁场又能反作用于检测线圈，对检测线圈的磁场产生影响。通过监测振荡电路的振荡周期变化来监测检测线圈的磁场变化，事先标定出振荡周期和目标导体的温度对应关系，从而根据所检测的振荡周期值来得出目标导体的温度。

进一步，所述的振荡驱动电路包括驱动集成芯片和功率管，驱动集成芯片输入端与微控制器输出端连接，其输出端连接功率管的栅极，功率管的漏极和源极并联一个二极管，且二极管的阳极接功率管的源极，功率管的源极接地，漏极与检测线圈一端连接，该端同时和振荡电容一端连接，振荡电容另一端接地，检测线圈另一端接电源。为激励振荡电路产生振荡，本发明设置了振荡驱动电路，由微控制器定时输出信号，控制驱动集成芯片产生适合功率管的控制信号，使功率管导通。功率管导通后，检测线圈一端对地短路，电流从另一端的电源流入检测线圈，检测线圈开始充电，当微控制器控制功率管关闭后，由于检测线圈内的电流不能突变，检测线圈向振荡电容充电，开始振荡，检测线圈内的电流逐渐减小，从而产生变化的磁场。

进一步，所述的振荡监测电路为RC微分电路，包括检测电容、保护二极管和缓冲电阻，检测电容一端与检测线圈和振荡电容的连接点连接，用于检测振荡电压；检测电容另一端经缓冲电阻连接到微控制器，检测电容和缓冲电阻串联构成微分电路，用于将检测到的振荡电压信号转换为尖脉冲信号，便于微控制器记录振荡电压到达峰值的时间，从而获得检测线圈的振荡周期；检测电容和缓冲电阻的连接点经保护二极管接地。在激励电压作用下，检测线圈产生变化的磁场，作用到被测金属物体上，金属物体内产生涡流，涡流所产生的磁场又反作用到检测线圈上，使检测线圈的电流和电压发生变化。通过设置检测电容来采集振荡电压，并通过微分电路将矩形脉冲信号转换为尖脉冲信号，采集振荡电压发生突变的时刻，从而得出振荡电压的上升时间，由于振荡电容的振荡电压上升时间和下降时间有对应关系，通过测量振荡电压上升时间，就能推导出线圈的振荡周期。

进一步，所述的被测金属物体位于检测线圈感应磁场范围内，并且与检测线圈之间设有非磁性材料制成的遮挡物。本发明在测量单元和被测物体之间设有遮挡物，测量单元和被测物体不接触不可视，由于磁场可以不变形地穿透非磁性物质，因此若采用非磁性遮挡物，就可以利用电磁感应原理及涡流效应来实现被遮挡情况下的金属温度测量。

本发明基于电磁感应原理和涡流效应，实现在有遮挡情况下的无接触金属温度测量，通过布设振荡电路，监测振荡电路的振荡周期进而判断振荡周期所对应磁场情况，根据预先检定的振荡周期-温度对应关系，获知被测金属物体的温度值。这种测温装置可应用于电磁炉、燃气灶及电饭煲等领域，实现非可视、非接触状态下锅具温度的精确测量。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明的工作流程图；

图中，1、微控制器，2、振荡驱动电路，3、振荡电路，4、振荡监测电路，5、遮挡物，6、被测金属物体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

一种非接触式金属温度测量装置，如图1所示，包括温度检测单元和被测金属物体6。温度检测单元包括微控制器1、振荡驱动电路2、振荡电路3和振荡监测电路4。微控制器1输出端与振荡驱动电路2连接，用于向其输出控制信号；振荡驱动电路2另一端与振荡电路3连接，用于根据控制信号促使振荡电路开始振荡；振荡监测电路4一端与振荡电路3连接，另一端与微控制器1连接，用于将振荡电路的振荡电压信号转换为突变信号传输给微控制器，据此得出振荡周期信号。

具体电路结构如图2所示，微控制器1采用STM32F401型号单片机U1，振荡驱动电路2包括驱动集成芯片U2和功率管Q1，所述功率管Q1采用IGBT场效应管，所述振荡电路3包括检测线圈L1和振荡电容C1。单片机U1的45脚接驱动集成芯片U2的3脚，驱动集成芯片U2的5脚连接功率管Q1的栅极，功率管的源极和漏极并联一个二极管D2，二极管的阳极接功率管源极，二极管的阴极接功率管漏极，功率管的源极接地，功率管的漏极接检测线圈L1一端，同时经振荡电容C1接地。检测线圈L1另一端接直流电源Vdc。被测金属物体6位于检测线圈的感应磁场范围内，并且两者之间有非磁性材料遮挡物5分隔。所述的振荡监测电路为RC微分电路，包括检测电容C2、保护二极管D1和缓冲电阻R1，检测电容C2一端与检测线圈和振荡电容的连接点连接，另一端经缓冲电阻R1接单片机U1的40脚，检测电容C2和缓冲电阻R1的连接点经保护二极管D1接地，保证缓冲电阻的电压。

本发明的温度测量过程，如图3所示，包括以下步骤：

1、单片机发出导通信号，控制驱动集成芯片U2产生一个适合功率管Q1的控制信号，功率管Q1导通；

2、功率管Q1导通后，将检测线圈L1的一端对地短路，直流电源Vdc的电流从检测线圈L1的另一端流入，由于检测线圈L1具有一定的电感量，电感能够存储能量；

3、单片机控制功率管Q1导通时间，也就是控制检测线圈L1存储能量的大小，比如10us，不让线圈电流饱和即可；

4、单片机控制功率管Q1关闭，检测线圈L1的电流充值结束。由于检测线圈L1上的电流不能突变，功率管Q1关闭后，检测线圈L1的电流经振荡电容C1流向地端，同时，电容C1上的电压会增加，检测线圈L1的电流会减小，产生振荡；

5、检测线圈L1内的电流变化会产生一个变化的磁场，在振荡电容C1上产生一个振荡电压，当变化的磁场作用到导体上，导体内产生涡流，产生的涡流会消耗磁场，同时涡流产生的磁场也会反作用削弱检测线圈的磁场，磁场的变化会同时带来检测线圈L1上电流的变化，使振荡电容C1上电压上升速度及下降速度发生变化，就改变了振荡电容C1的振荡周期；

6、测量振荡电容C1上第一个振荡周期的时间；

7、读取对比标定过的振荡周期和温度的关系值，间接获取被测金属物体的温度。

Claims (3)

1.一种非接触式金属温度测量装置，其特征在于：包括温度检测单元和被测金属物体；所述温度检测单元包括微控制器、振荡驱动电路、振荡电路和振荡监测电路，微控制器用于向振荡驱动电路输出控制信号，由振荡驱动电路驱动振荡电路发生振荡；所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在振荡作用下产生变化的磁场并作用于被测金属物体，被测金属物体内产生涡流，其磁场反作用于检测线圈；所述振荡监测电路用于监测检测线圈的振荡电压变化信号并传输给微控制器，由微控制器根据振荡电压变化规律及预先标定的与温度的对应关系判断该变化规律所对应的被测金属物体的温度；所述的振荡监测电路为RC微分电路，包括检测电容、保护二极管和缓冲电阻，检测电容一端与检测线圈和振荡电容的连接点连接，用于检测振荡电压；检测电容另一端经缓冲电阻连接到微控制器，检测电容和缓冲电阻串联构成微分电路，用于将检测到的振荡电压信号转换为尖脉冲信号，便于微控制器记录振荡电压到达峰值的时间，从而获得检测线圈的振荡周期；检测电容和缓冲电阻的连接点经保护二极管接地。

2.根据权利要求1所述的非接触式金属温度测量装置，其特征在于：所述的振荡驱动电路包括驱动集成芯片和功率管，驱动集成芯片输入端与微控制器输出端连接，其输出端连接功率管的栅极，功率管的漏极和源极并联一个二极管，且二极管的阳极接功率管的源极，功率管的源极接地，漏极与检测线圈一端连接，该端同时和振荡电容一端连接，振荡电容另一端接地，检测线圈另一端接电源。

3.根据权利要求1或2所述的非接触式金属温度测量装置，其特征在于：所述的被测金属物体位于检测线圈感应磁场范围内，并且与检测线圈之间设有非磁性材料制成的遮挡物。