CN109470375A - 基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置，包括激励线圈、两个接收线圈、被测金属物体和测量单元，两个接收线圈构成一对差分接收线圈，即每个独立的接收线圈与激励线圈的互感值相等，两个接收线圈的一对同名端相互连接，另一对同名端作为接收信号输出至测量单元。本发明根据金属物体上感应的涡流电流与激励电流的相位差随温度下发生变化的特性，通过测量该相位差可以得到金属物体的温度值；因此本发明装置具有安装简单，对位置不敏感，测温范围宽，可适用不同材料的金属等优点。

Description

基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置

技术领域

本发明属于传感器测量技术领域，具体涉及一种基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置。

背景技术

在许多工业领域，如发电和供电系统，需要对金属物体的温度进行在线测量，以保障工业生产的安全性。此外在一些民用产品中，如电磁炉和电饭煲，需要对金属器具的温度进行精确测量以提高产品的性能。

测温技术分接触式测温和非接触式测温两大类：传统的接触式测温主要采用热敏电阻、热电偶、光纤和半导体器件，这些元件都需要与被测物体直接接触。但是在许多应用场合，由于高压绝缘、防水、可靠性等条件的限制而无法采用接触式测温；非接触式测温目前广泛应用的是红外测温技术，可实现远距离测量，但是红外测温方法要求测量装置发出的红外光线照射到被测物体时不能被阻挡，限制了这种技术在许多场合的应用。此外，公开号为CN102539005A和CN103207031A的中国专利提出利用阻尼振荡波传递温度信号的非接触式温度测量方法，但是这种方法需要在被测物体上安装一个谐振电路，增加了装置的复杂性。

电涡流原理已广泛应用于非接触传感器的设计，但主要限于位移、厚度、电导率的测量和金属探测等应用，而在温度测量方面的应用较少。公开号为CN105157869B的中国专利提出了一种基于电涡流的高温温度传感装置，用于测量高温环境下的温度，其包括电涡流温度传感器探头和前置器；电涡流温度传感器探头包括扁平线圈、传感器骨架、固定套、保护套、定距环、高温合金环、预压弹簧、同轴电缆和接头；传感器骨架安装于固定套的内孔中，扁平线圈绕制于传感器骨架露出固定套的一端，高温合金环位于高温线圈的前端，高温合金环与传感器骨架之间用定距环隔开，预压弹簧一端作用在高温合金环上，另一端作用在固定套上，扁平线圈的接头通过同轴电缆与外部的接头相连；该传感装置利用传感器探头线圈与被测材料间的等效阻抗、电感或品质因数与温度存在单值函数关系，通过测量这些物理量推导温度值，但是这种装置对安装方式要求较高，难以推广。

发明内容

鉴于上述，本发明提出了一种基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置，根据金属物体上感应的涡流电流与激励电流的相位差随温度发生变化的特性，通过测量该相位差可以得到金属物体的温度值。

一种基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置，包括被测金属物体、激励线圈、两个接收线圈以及测量单元，激励线圈和接收线圈通过非金属支架固定且不直接接触被测金属物体，两个接收线圈通过一对同名端相互连接形成一组差分线圈；

当激励线圈通电后，靠近激励线圈的被测金属物体表面受到交变磁场作用产生电涡流，该电涡流通过电磁感应到差分线圈上并在差分线圈的另一对同名端上产生电压U_s作为接收信号；

所述测量单元用于在激励线圈上施加固定频率的交流电，同时测量出接收信号与激励线圈上电流或电压基波信号的相位差，进而根据该相位差实时计算出被测金属物体的温度。

进一步地，第一接收线圈与被测金属物体之间的互感系数M_Z1不等于第二接收线圈与被测金属物体之间的互感系数M_Z2；在被测金属物体移除情况下，第一接收线圈与激励线圈之间的互感系数M_s1等于第二接收线圈与激励线圈之间的互感系数M_s2。

优选地，所述差分线圈的另一对同名端并联有补偿电容，能够提高接收信号的幅度并滤除谐波。

优选地，所述激励线圈与被测金属物体平行，两个接收线圈与激励线圈同轴平行且分别位于激励线圈所在平面的两侧并对称，同时两个接收线圈位于被测金属物体的同一侧。

进一步地，所述测量单元包括微控制器、信号调理电路、驱动电路以及H桥电路；其中，微控制器输出两路互补的PWM信号，利用驱动电路对PWM信号进行功率放大后驱动H桥电路，H桥电路输出侧通过隔直电容与激励线圈连接；同时微控制器通过信号调理电路与差分线圈的另一对同名端连接，接收信号经信号调理电路滤波整形后由微控制器进行采样，进而通过离散傅里叶变换计算得到接收信号的相位，而激励线圈上基波信号的相位由微控制器控制，故可得到接收信号与基波信号的相位差。

进一步地，所述微控制器内部存储有关于相位差-温度的关系表，其根据接收信号与激励线圈上基波信号的相位差即可查表计算出被测金属物体的温度；所述关系表为事先通过实验渐进调节金属物体温度并计算各温度值所对应的相位差而拟合得到。

进一步地，所述激励线圈在装置中为独立的线圈，或与感应加热系统或无线功率传输系统中的功率线圈公用。

进一步地，当激励线圈与感应加热系统或无线功率传输系统中的功率线圈公用时，以功率线圈发出的某个谐波作为激励信号，通过差分线圈感应接收信号，然后计算接收信号中该谐波分量与激励信号中该谐波分量的相位差，进而根据该相位差实时计算出被测金属物体的温度。

基于上述技术方案，本发明测量装置具有以下有益技术效果：

(1)安装简单，对位置不敏感。

(2)测温范围宽。

(3)可适用不同材料的金属。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图。

图2为激励线圈在金属物体中产生涡流的等效电路示意图。

图3为本发明测量装置的等效电路示意图。

图4为增加谐振电容后本发明测量装置的等效电路示意图。

图5为本发明测量装置的一种实施电路结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置包括一个激励线圈101、两个接收线圈102和103、被测金属物体104，其中激励线圈101、接收线圈102和103通过非金属支架固定，不直接接触被测金属物体104。接收线圈102和接收线圈103相对激励线圈101构成一对差分接收线圈，移除被测金属物体104后，设定激励线圈101与接收线圈102之间的互感为M_s1，激励线圈101与接收线圈103之间的互感为M_s2，则M_s1与M_s2相等；接收线圈102与接收线圈103的一个同名端相互连接，另一个同名端作为接收信号U_s输出至信号调理电路。

确定激励线圈101、两个接收线圈102和103、被测金属物体104的相对位置是本发明的关键所在，故采用以下方案设计：

首先确定激励线圈101与被测金属物体104的相对位置，采用平行放置方式，即激励线圈101平面与被测金属物体104平行；接收线圈102、103与激励线圈101摆放位置要求接收线圈102与激励线圈101之间的互感M_s1等于接收线圈103与激励线圈101之间的互感M_s2，实现该条件的一种优选方法是：接收线圈102与接收线圈103的空间位置关于激励线圈101轴对称，即接收线圈102与接收线圈103分别位于激励线圈101所在平面的两侧且对称；同时，要求接收线圈102、103与被测金属物体104之间的互感量要有显著不同。如图1所示，接收线圈102、103位于被测金属物体104的同一侧，且距离不同，因而互感量不同；确定接收线圈102和103、激励线圈101的相对位置后，设计塑料支架将其固定。

当激励线圈靠近金属物体时，金属表面受到交变磁场作用产生电涡流，此时激励线圈产生电涡流的等效电路如图2所示，其中R_z为等效电阻，L_z为等效电感，涡流电流可以表示为：

I_Z＝I₁·jωM/(R_Z+jωL_Z)

当温度变化时，L_z基本保持不变，而R_Z＝f(t)随温度发生变化，因而I_z与I₁的相位差如下，且该相位差随温度发生变化。

Δφ＝∠I_Z-∠I₁＝π/2-arctan(ωL_Z/R_Z)＝arctan(R_Z/ωL_Z)

为准确测量涡流电流I_z，本发明采用一对差分线圈接收信号，该差分接收线圈由两个接收线圈组成，激励线圈、接收线圈及被测金属物体的结构如图1所示，图1的等效电路如图3所示，其中L_s1、L_s2分别是接收线圈102、103的自电感；M_s1、M_s2分别是移除被测金属物体104后接收线圈102、103与激励线圈101之间的互感；M_Z1、M_Z2分别是接收线圈102、103与金属物体104之间的互感。在本发明中要求M_S1＝M_S2，M_Z1≠M_Z2，接收线圈102、103的另一对同名端相连后作为接收信号U_s输出到信号调理电路，由于激励线圈在差分接收线圈102、103上的感应电压相互抵消，因而不会影响金属被测物体104上的涡流电流感应到差分接收线圈上的信号，差分接收线圈的开路输出电压U_so为：

U_so＝I_Z·jω(M_Z1-M_Z2)＝I₁·jωM·jω(M_Z1-M_Z2)/(R_Z+jωL_Z)

因此，只要测量U_so与I₁的相位差，即可计算得到温度值；故本发明装置的测量过程为：(1)在激励线圈上输出固定频率的正弦波或方波；(2)测量接收信号U_s与激励线圈基波电流的相位差；(3)根据相位差计算被测导体的温度。

为提高输出信号的幅度，本发明在接收信号U_s输出端并联补偿电容C_r以提高接收信号的幅度并滤除谐波，如图4所示，其中C_r≈1/ω²L_s，使差分接收线圈的等效电感L_s与补偿电容的谐振点ω_r接近工作频率ω，即L_s＝L_s1+L_s2-2M_s12，M_s12为两个差分线圈间的互感；此时差分接收线圈的输出电压U_so为：

U_so＝I_Z·jω(M_Z1-M_Z2)/(1-ω²L_sC_r+jωR_sC_r)

其中：R_s为两个差分线圈的内阻；显然，此时输出电压偏移了一个固定角度，只要在测量后减去该角度，就不会影响温度测量的精度。

图5给出了一种实现本发明装置的具体电路结构，其由MCU控制，该MCU发出两路互补的PWM波，经驱动电路驱动H桥，再通过隔直电容C_s输出至激励线圈L₁；差分接收线圈接收的信号U_s经调理电路处理后，接至MCU的一个AD采样引脚，MCU采样后经DFT计算得到U_s的相位。由于激励信号的相位由MCU控制，因此可以得到U_s与激励信号的相位差；为提高精度，可以精确计算激励信号的电流相位(将电流信号经调理电路后进行AD采样和DFT计算)，再将计算得到的电流相位与接收信号U_s的相位相减，得到精确的相位差；测得相位差后，根据MCU内部存贮的相位差—温度关系表，拟合得到当前温度值。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于涡流感应的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：包括被测金属物体、激励线圈、两个接收线圈以及测量单元，激励线圈和接收线圈通过非金属支架固定且不直接接触被测金属物体，两个接收线圈通过一对同名端相互连接形成一组差分线圈；

当激励线圈通电后，靠近激励线圈的被测金属物体表面受到交变磁场作用产生电涡流，该电涡流通过电磁感应到差分线圈上并在差分线圈的另一对同名端上产生电压U_s作为接收信号；

所述测量单元用于在激励线圈上施加固定频率的交流电，同时测量出接收信号与激励线圈上电流或电压的基波信号的相位差，进而根据该相位差实时计算出被测金属物体的温度。

2.根据权利要求1所述的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：第一接收线圈与被测金属物体之间的互感系数M_Z1不等于第二接收线圈与被测金属物体之间的互感系数M_Z2；在被测金属物体移除情况下，第一接收线圈与激励线圈之间的互感系数M_s1等于第二接收线圈与激励线圈之间的互感系数M_s2。

3.根据权利要求1所述的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：所述差分线圈的另一对同名端并联有补偿电容。

4.根据权利要求1所述的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：所述激励线圈与被测金属物体平行，两个接收线圈与激励线圈同轴平行且分别位于激励线圈所在平面的两侧并对称，同时两个接收线圈位于被测金属物体的同一侧。

5.根据权利要求1所述的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：所述测量单元包括微控制器、信号调理电路、驱动电路以及H桥电路；其中，微控制器输出两路互补的PWM信号，利用驱动电路对PWM信号进行功率放大后驱动H桥电路，H桥电路输出侧通过隔直电容与激励线圈连接；同时微控制器通过信号调理电路与差分线圈的另一对同名端连接，接收信号经信号调理电路滤波整形后由微控制器进行采样，进而通过离散傅里叶变换计算得到接收信号的相位，而激励线圈上基波信号的相位由微控制器控制，故可得到接收信号与基波信号的相位差。

6.根据权利要求5所述的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：所述微控制器内部存储有关于相位差-温度的关系表，其根据接收信号与激励线圈上基波信号的相位差即可查表计算出被测金属物体的温度；所述关系表为事先通过实验渐进调节金属物体温度并计算各温度值所对应的相位差而拟合得到。

7.根据权利要求1所述的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：所述激励线圈在装置中为独立的线圈，或与感应加热系统或无线功率传输系统中的功率线圈公用。

8.根据权利要求7所述的非接触式金属温度在线测量装置，其特征在于：当激励线圈与感应加热系统或无线功率传输系统中的功率线圈公用时，以功率线圈发出的某个谐波作为激励信号，通过差分线圈感应接收信号，然后计算接收信号中该谐波分量与激励信号中该谐波分量的相位差，进而根据该相位差实时计算出被测金属物体的温度。