CN110057472B - 一种温度传感器热响应时间测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度传感器热响应时间测量装置及方法，包括恒温恒速水槽、支撑架、机械臂、记录仪，所述支撑架套装在恒温恒速水槽上方，机械臂安装在支撑架上，所述机械臂底端安装有温度传感器，温度传感器通过引出线与记录仪连接，所述的恒温恒速水槽包括筒体、加热线圈和保温层，加热线圈紧贴筒体外壁，被保温层包裹，所述记录仪的触发通道上设置有第一导线和第二导线，第一导线设置在恒温恒速水槽中，第二导线与被测量温度传感器的测量端连接；本发明中的热响应时间的终止时刻由数据拟合计算得出；本发明能够在较低的记录仪表时间分辨力和较短的温度阶跃时间里，获得精确的温度传感器热响应时间。

Description

一种温度传感器热响应时间测量装置及方法

技术领域

本发明涉及温度传感器热响应时间测量领域，具体涉及一种温度传感器热响应时间测量装置及方法。

背景技术

接触式温度传感器在测量温度变化较快的流体温度时，一般不能立刻反应被测温度，需要一定的时间才能达到热平衡状态，只有当温度传感器与被测流体达到热平衡时，传感器反应的温度值才是被测流体的温度，传感器的动态响应特性是指温度传感器的温度与被测介质温度增量之间的关系，在实际校准中，常用热响应时间来描述温度传感器对阶跃温度的响应，热响应时间是指流体温度出现阶跃变化时，温度传感器的输出温度变化到相当于该流体温度阶跃量的某个规定百分数时所需要的时间，如达到阶跃温度量的50%和90%所需要的时间，达到阶跃温度量的63.2%所需要的时间称为时间常数。

温度传感器动态响应校准过程，即传感器热响应时间测量过程主要包括：产生稳定的测量工况（稳定的速度场、温度场）；使温度传感器接受温度阶跃激励；由记录仪表采集被校传感器对阶跃的响应信号，计算出热响应时间。

在现有温度传感器热响应时间测量技术中，要求记录仪表的时间分辨力应优于待校准温度传感器时间常数的1%，同时要求温度阶跃的终止温度取10倍时间常数后的测量值，这对记录仪表的采集和存储性能要求较高，常用设备难以满足，此外，温度阶跃的初始时刻通常通过记录仪表上温度-时间信息读出，忽略了温度阶跃产生过程对温度传感器传热的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明公开了一种温度传感器热响应时间测量装置及方法，温度阶跃的初始温度及终止温度在稳态下测得，记录仪表通过电平脉冲信号触发并作为温度阶跃的初始时间，热响应时间通过数据拟合计算得出。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种温度传感器热响应时间测量装置，包括恒温恒速水槽、支撑架、机械臂、记录仪、控温仪、热电阻温度计和电压稳压源，所述支撑架套装在所述恒温恒速水槽的上方，所述恒温恒速水槽的内侧贴合连接有筒体，所述筒体的底部中心位置处通过转轴连接有旋转叶片，其中所述旋转叶片的一端贯穿恒温恒速水槽的底部连接有第一齿轮，所述筒体的内壁一侧设置有热电阻温度计，且所述恒温恒速水槽的底部设置有第一电动机，其中所述第一电动机的输出端与第一齿轮啮合连接，所述筒体的外侧均匀环绕有加热线圈，其中所述加热线圈与筒体紧密贴合，所述加热线圈和热电阻温度计均与控温仪电性连接；

所述支撑架上安装设置有滚珠丝杠，所述滚珠丝杠的一端与支撑架通过转轴连接，且所述滚珠丝杠的另一端贯穿支撑架的一侧连接有手轮，所述机械臂对应滚珠丝杠的连接处设置有滚珠螺母座，所述机械臂的顶端连接有第二电动机，所述第二电动机的输出端设置有第二齿轮，所述第二齿轮的外侧设置有同步带，且所述机械臂的底端安装有同步座，其中所述同步座和第二电动机通过第二齿轮和同步带缠绕连接，所述同步座上安装有温度传感器，其中所述温度传感器通过引出线与记录仪上的采集通道电性连接；所述记录仪上的触发通道连接有第一导线和第二导线，且所述第一导线的另一端浸没在筒体的内侧，所述温度传感器的测量端通过第二导线与记录仪上的触发通道电性连接。

优选的，所述第一导线上串联有电压稳压源。

优选的，所述筒体的顶端开口位置处设置有内折边。

优选的，所述加热线圈的外侧填充有保温层，其中所述保温层为耐高温的岩棉材质。

优选的，温度传感器热响应时间测量装置的测量方法，包括如下步骤：

稳定数值：开启恒温恒速水槽，待水温和流速稳定在设定值；

记录初始数值：用记录仪测量温度传感器在室温下的稳态温度，作为温度阶跃的初始温度；

记录终止数值：用记录仪测量温度传感器在水中固定位置的稳态温度，作为温度阶跃的终止温度；

提升温度传感器：将温度传感器从水中提出，并恢复到室温；

记录数值变化：设定机械臂运动速度，将温度传感器浸没到水中的固定位置，用记录仪采集温度随时间的变化。

优选的，热响应时间测量的具体步骤中，所述温度传感器与水面接触时，第一导线和第二导线连通，形成电平脉冲信号触发记录仪测量温度传感器的温度随时间的变化，此时即为热响应时间的初始时刻。

优选的，所述温度传感器的输出温度等于温度阶跃量的某规定百分数的时刻通过数据拟合计算得出，作为热响应时间的终止时刻，初始时刻与终止时刻的时间间隔即为所述温度传感器的热响应时间。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过温度传感器与水面接触时形成电平脉冲触发记录仪表采集数据，能够精确确定温度阶跃的初始时刻；通过测量室温和水中固定位置的稳态温度，能够精确确定温度阶跃的初始和终止温度；另一方面，通过数据拟合得到温度阶跃量的某规定百分数的时刻，使得本发明能够在较低的记录仪表时间分辨力和较短的温度阶跃时间里，获得精确的温度传感器热响应时间，减少误差的产生。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是本发明实施例温度传感器热响应时间测量的初始状态示意图；

图2是本发明实施例温度传感器热响应时间测量的终止状态示意图；

图3是本发明实施例温度传感器热响应时间测量的流程图；

图4是本发明实施例温度传感器热响应时间测量的温度-时间数据及拟合情况。

图中标号：1、恒温恒速水槽；2、支撑架；3、机械臂；4、记录仪；5、温度传感器；11、加热线圈；12、筒体；13、保温层；14、旋转叶片；15、第一齿轮；16、第一电动机；17、控温仪；18、热电阻温度计；19、内折边；21、滚珠螺母座；22、滚珠丝杠；23、手轮；31、第二电动机；32、第二齿轮；33、同步带；34、同步座；41、第一导线；42、第二导线；43、电压稳压源；44、触发通道；45、采集通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种温度传感器热响应时间测量装置及方法，如图1和图2所示，包括恒温恒速水槽1、支撑架2、机械臂3、记录仪4和温度传感器5，支撑架2套装在恒温恒速水槽1上方，机械臂3安装在支撑架2上，机械臂3底端安装有温度传感器5，温度传感器5通过引出线与记录仪4连接；恒温恒速水槽1包括筒体12、加热线圈11和保温层13，加热线圈11紧贴筒体12外壁，被保温层13包裹，恒温恒速水槽1内浸没第一导线41，被校准温度传感器5的测量端连接第二导线42，第一导线41上串联电压稳压源43，第一导线41和第二导线42连接到记录仪4的触发通道44上，被校准温度传感器5通过引出线连接到记录仪4的采集通道上。

本实施例中，优选的，筒体12的底部中心处安装有旋转叶片14，旋转叶片14由第一齿轮15通过第一电动机16带动实现旋转，筒体12的侧壁上安装有热电阻温度计18，加热线圈11和热电阻温度计18连接到控温仪17上。

本实施例中，优选的，旋转叶片14的转速通过调节第一电动机16的转速来调节，旋转叶片14带动恒温恒速水槽1内的水以不同的流速旋转；为防止旋转的水溢出，在筒体12的上端面设有内折边19；控温仪17基于热电阻温度计18测得的水温调节加热线圈11的功率使水温稳定在设定值。

本实施例中，优选的，支撑架2包括滚珠螺母座21、滚珠丝杠22、手轮23，滚珠丝杆22一端固定在支撑架2上，另一端从支撑架2上穿出，且固定安装有手轮23，机械臂3包括第二电动机31、第二齿轮32、同步带33、同步座34，机械臂3通过滚珠螺母座21与滚珠丝杠22相连，被测量温度传感器5安装在机械臂3的同步座34上。

本实施例中，优选的，第二电动机31通过第二齿轮32和同步带33带动同步座34运动，通过调节第二电动机31的转速使同步座34具有不同的运动速度。

本实施例中，优选的，通过转动手轮23，带动滚珠丝杠22转动，与滚珠螺母座21配合，从而使滚珠螺母座21来回移动，进而调整与滚珠螺母座21相互固定的同步带33的位置，进而调整同步座34的位置，调整温度传感器5的位置。

本实施例中，优选的，热响应时间测量包括如下步骤：

稳定数值：开启恒温恒速水槽1，待水温和流速稳定在设定值；

记录初始数值：用记录仪4测量温度传感器5在室温下的稳态温度，作为温度阶跃的初始温度；

记录终止数值：用记录仪4测量温度传感器5在水中固定位置的稳态温度，作为温度阶跃的终止温度；

提升温度传感器5：将温度传感器5从水中提出，并恢复到室温；

记录数值变化：设定机械臂3运动速度，将温度传感器5浸没到水中的固定位置，用记录仪4采集温度随时间的变化。

本实施例中，优选的，热响应时间测量的详细步骤如图3所示，热响应时间测量的具体步骤中，温度传感器5与水面接触时，第一导线41和第二导线42连通，形成电平脉冲信号触发记录仪4测量温度传感器5的温度随时间的变化，此时即为热响应时间的初始时刻。

本实施例中，优选的，温度传感器5的输出温度等于温度阶跃量的某规定百分数的时刻通过数据拟合计算得出，作为热响应时间的终止时刻，初始时刻与终止时刻的时间间隔即为温度传感器5的热响应时间。

本实施例中，恒温恒速水槽1的水温设为75℃，热电阻温度计18选用AA级工业铂热电阻，水温波动度控制在每10分钟0.02℃范围内；被测量温度传感器5为T型铠装热电偶，其直径为3mm，插入水中深度为100mm，插入位置为筒体12的1/2半径处，此处水流速维持在（0.4±0.05）m/s范围内。同步座34的下行速度设置为2m/s，因而温度阶跃的时间为0.05s。在稳态情况下，T型铠装热电偶测得的室温T _room为17.689℃，水温T _water为73.994℃，所以温度阶跃为：

ΔT =T _water - T _room = 56.305℃

温度阶跃的63.2%为：

ΔT _0.632 =0.632×ΔT = 35.585℃

当达到温度阶跃的63.2%时相应的温度为：

T _0.632 = T _room + ΔT _0.632 = 53.274℃

初步估计该T型铠装热电偶的时间常数约为3s，设置记录仪4的采集时间为15s，采集间隔为0.05s。

本实施例中采集的温度-时间信息如图4所示，选取53.274℃附近的5个数据点并采用二次多项式进行拟合，如图4中的放大图所示，拟合所得公式为：

T = -1.91×t ² + 20.05×t + 11.74

式中，T为温度，℃；t为时间，s，拟合优度R²=0.99998。根据拟合公式求得温度53.274℃所对应的时刻为2.846s，因而此次测量的T型铠装热电偶的时间常数为2.846s。重复测量3次，当3次测量的时间常数与平均值之间的偏差小于10%时，测量的平均值即为时间常数的最终值。本实施例3次测得的时间常数分别为2.846s，2.857，和2.832，因此最终平均值为2.845s。

其中在本发明里：整个装置通过总控制按钮对其实现控制，由于控制按钮匹配的设备为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种温度传感器热响应时间测量装置，其特征在于：包括恒温恒速水槽(1)、支撑架(2)、机械臂(3)、记录仪(4)、控温仪(17)、热电阻温度计(18)和电压稳压源(43)，所述支撑架(2)套装在所述恒温恒速水槽(1)的上方，所述恒温恒速水槽(1)的内侧贴合连接有筒体(12)，所述筒体(12)的底部中心位置处通过转轴连接有旋转叶片(14)，其中所述旋转叶片(14)的一端贯穿恒温恒速水槽(1)的底部连接有第一齿轮(15)，所述筒体(12)的内壁一侧设置有热电阻温度计(18)，且所述恒温恒速水槽(1)的底部设置有第一电动机(16)，其中所述第一电动机(16)的输出端与第一齿轮(15)啮合连接，所述筒体(12)的外侧均匀环绕有加热线圈(11)，其中所述加热线圈(11)与筒体(12)紧密贴合，所述加热线圈(11)和热电阻温度计(18)均与控温仪(17)电性连接；

所述支撑架(2)上安装设置有滚珠丝杠(22)，所述滚珠丝杠(22)的一端与支撑架(2)通过转轴连接，且所述滚珠丝杠(22)的另一端贯穿支撑架(2)的一侧连接有手轮(23)，所述机械臂(3)对应滚珠丝杠(22)的连接处设置有滚珠螺母座(21)，所述机械臂(3)的顶端连接有第二电动机(31)，所述第二电动机(31)的输出端设置有第二齿轮(32)，所述第二齿轮(32)的外侧设置有同步带(33)，且所述机械臂(3)的底端安装有同步座(34)，其中所述同步座(34)和第二电动机(31)通过第二齿轮(32)和同步带(33)缠绕连接，所述同步座(34)上安装有温度传感器(5)，其中所述温度传感器(5)通过引出线与记录仪(4)上的采集通道(45)电性连接；所述记录仪(4)上的触发通道(44)连接有第一导线(41)和第二导线(42)，且所述第一导线(41)的另一端浸没在筒体(12)的内侧，所述温度传感器(5)的测量端通过第二导线(42)与记录仪(4)上的触发通道(44)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种温度传感器热响应时间测量装置，其特征在于：所述第一导线(41)上串联有电压稳压源(43)。

3.根据权利要求1所述的一种温度传感器热响应时间测量装置，其特征在于：所述筒体(12)的顶端开口位置处设置有内折边(19)。

4.根据权利要求1所述的一种温度传感器热响应时间测量装置，其特征在于：所述加热线圈(11)的外侧填充有保温层(13)，其中所述保温层(13)为耐高温的岩棉材质。

5.根据权利要求1所述的一种温度传感器热响应时间测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

稳定数值：开启恒温恒速水槽(1)，待水温和流速稳定在设定值；

记录初始数值：用记录仪(4)测量温度传感器(5)在室温下的稳态温度，作为温度阶跃的初始温度；

记录终止数值：用记录仪(4)测量温度传感器(5)在水中固定位置的稳态温度，作为温度阶跃的终止温度；

提升温度传感器(5)：将温度传感器(5)从水中提出，并恢复到室温；

记录数值变化：设定机械臂(3)运动速度，将温度传感器(5)浸没到水中的固定位置，用记录仪(4)采集温度随时间的变化。

6.根据权利要求5所述的一种温度传感器热响应时间测量装置的测量方法，其特征在于：热响应时间测量的具体步骤中，所述温度传感器(5)与水面接触时，第一导线(41)和第二导线(42)连通，形成电平脉冲信号触发记录仪(4)测量温度传感器(5)的温度随时间的变化，此时即为热响应时间的初始时刻。

7.根据权利要求5所述的一种温度传感器热响应时间测量装置的测量方法，其特征在于：所述温度传感器(5)的输出温度等于温度阶跃量的某规定百分数的时刻通过数据拟合计算得出，作为热响应时间的终止时刻，初始时刻与终止时刻的时间间隔即为所述温度传感器(5)的热响应时间。

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