CN110132421A - 一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置及方法，其装置包括由透光材料制备而成的感温管，所述感温管的两端分别为开口端和封闭端，所述感温管的开口端与测温仪相连接，所述感温管的封闭端插入被测液体介质内部形成感温腔。本发明通过采用具有透光材料制备感温管，将其置于被测液体中，液体透过腔壁直接形成近似黑体空腔产生热辐射，通过所述测温仪接收到感温管封口端底部的热辐射，计算出被测液体介质的温度，进而实现液体，尤其是侵蚀性液体内部温度的快速、精确、稳定地连续测量。
Description
技术领域
本发明属于测温技术领域，具体涉及一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置及方法。
背景技术
液体温度测量是工业生产中既普遍而又重要的测量，约占测温领域的30％，广泛应用于冶金、石油化工、轻纺、制药、电力等部门。液体温度测量的精确性和连续性直接影响着产品的质量、产量和能耗。例如，石油化工行业，在乙烯、石油精馏等生产过程中，只有温度的精确测量与控制，才能精炼出各种石油产品并获得较高的收得率；机械加工行业的热处理工艺中，高温盐浴炉温度的准确、快速、可靠测量与控制，是零部件质量的保证；冶金生产工业中熔融金属液体(如：钢水、铜液、铝液等)温度的连续精确测量，直接关系到产品质量与能耗。
目前，液体温度连续测量通常有三类方式：接触式、非接触式和接触与非接触结合式。非接触式即辐射测温方法，通过探测液体的热辐射来确定其表面温度，但无法获得液体内部温度。同时发射率受温度、波长、液体种类、表面状态等影响，难以确定，因此只能得到亮度温度或辐射温度，而无法获得液体真实温度，此外还会受到杂散光、灰尘、烟雾、水蒸气、液面杂质等干扰，在实际工业生产中应用受到限制。接触式是目前液体温度测量使用最广泛的方法，测温传感器与被测对象直接接触进行测量，由于工业生产中的液体通常具有电解液的性质，会产生干扰电势，影响测温准确性，因此接触式测温普遍采用热电偶、热电阻加保护套管的模式。但在高温强侵蚀性介质中长时间工作时，保护管也无法完全避免热电偶、热电阻等感温元件受到物理和化学损伤(如：变形、变脆、热电特性改变、氧化还原作用引起感温元件变质腐蚀)，从而影响测温精度。接触与非接触结合方式是指黑体空腔测温方法。它是将测温传感器插入被测介质足够深度，利用介质均匀加热，使腔体底端形成近似黑体空腔，再由专用探测器接收腔体的热辐射，最后根据“在线黑体空腔理论”计算腔体的积分有效发射率，进而确定介质温度。与热电偶加保护套管方式相比，该方法依据基尔霍夫黑体辐射理论——密闭、等温空腔为黑体辐射，确保测温的精确性。同时省去了热电偶，既降低了成本，又避免热电偶受到物理化学损伤而导致性能改变引起的测温偏差，提高测温稳定性。因此，精度高、稳定性好、成本低的黑体空腔测温方法极具发展前景。但响应滞后长是现有黑体空腔传感器的主要问题，这是由其精确测量条件(腔体内壁达到密闭、等温)所限定，腔体壁厚和材料的导热性决定了热量由腔体外壁传递到内壁的热滞后时间，制约了传感器的响应速度。如：公开专利CN00120354.1钢水温度连续测量方法和测温管、US 5,180,228用于熔铁的辐射温度计和熔铁温度测量方法、US5,302,027光学测温装置用的难熔观测管。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置及方法，以实现液体，尤其是侵蚀性液体内部温度的快速、精确、稳定地连续测量。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，包括由透光材料制备而成的感温管，所述感温管的两端分别为开口端和封闭端，所述感温管的开口端与测温仪相连接，所述感温管的封闭端插入被测液体介质内部形成感温腔。
进一步的，所述透光材料为在可见光、以及红外光波段0.38～14μm范围内的某段电磁波波段或全部波段可以透过的透光材料。
进一步的，所述透光材料包括石英玻璃、蓝宝石、氧化锆、Si、Ge、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2、金属陶瓷。
进一步的，所述感温管的封闭端为斜型、半圆型、锥型、瓦楞型、内凹型中的一种。
进一步的，所述感温管的侧壁为直线型、瓦楞型和凹凸型中的一种。
进一步的，所述感温管的外壁设置有一层不透明涂层。
进一步的，所述测温仪包括连接器、热辐射聚焦单元、热辐射接收单元、以及信号处理与显示单元，
所述连接器用于将所述感温管的开口端相连接，使所述感温腔底部与热辐射聚焦单元对准；
所述热辐射聚焦单元设置在所述连接器上，用于将所述感温腔底部的热辐射进行聚焦；
所述热辐射接收单元与所述热辐射聚焦单元相连接，用于接收经所述热辐射聚焦单元聚焦后的热辐射，并将接收到的热辐射转换成电信号；
所述信号处理与显示单元用于接收所述热辐射接收单元传送的电信号，并将所述电信号进行处理后，计算被测液体介质温度并进行显示。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种快速精确连续测量液体介质内部温度的方法，包括：
确定上述所述的快速精确连续测量液体介质内部温度的装置的所述感温管的最小插入深度后，将所述感温管的封闭端插入到被测液体介质中；
通过所述测温仪将所述感温腔底部的热辐射进行收集、计算和处理后，确定被测液体介质温度并显示。
进一步的，在根据确定的所述感温管的最小插入深度时，包括：
根据被测液体介质的光学特性和测温范围，确定测量系统采用的电磁波波段；
根据被测液体介质的热辐射的电磁波波段，确定所述感温管选用的透光材料；
根据所述透光材料光学特性、所述感温管结构、以及感温管与被测液体介质间的传热分析，确定感温腔的有效发射率；
依据所述感温管的感温腔的有效发射率和测温精度要求，确定所述感温管的最小插入深度。
进一步的，在将所述感温管的封闭端插入到被测液体介质前，还包括：
当被测液体具有透光性时，在所述感温管的外壁涂覆一层不透明涂层，使测量精度得以提高。
本发明提供了一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置及方法，其装置包括由透光材料制备而成的感温管，感温管的两端分别为开口端和封闭端，感温管的开口端与测温仪相连接，感温管封闭端插入被测液体介质内部形成感温腔。本发明通过采用具有透光材料制备感温腔，将其置于被测液体中，液体透过腔壁直接形成近似黑体空腔产生热辐射，通过所述测温仪接收到感温管封口端底部的热辐射，计算出被测液体介质的温度，根本改变传统黑体空腔测温传感器的动态响应特性，进而实现液体(尤其是侵蚀性液体)内部温度的快速、精确、稳定地连续测量。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置的结构示意图；
图2为本发明示例性实施例的感温管的结构示意图；
图3为本发明示例性实施例的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的方法的流程示意图；
图4为本发明示例性实施例的另一种快速精确连续测量液体介质内部温度的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在现有技术中，传统的用于测量液体介质内部温度的装置均由不透光材料来制备内管，使感温管内形成黑体空腔，因此，被测液体介质的热量由腔体外壁到内壁会发生热滞后，导致测温装置的传感器响应速度慢的问题，因此，本发明提出采用具有透光材料制备测温腔体，将其置于被测液体中，液体透过腔壁直接形成近似黑体空腔产生热辐射，通过测温仪接收到感温管封口端底部的热辐射，计算出被测液体介质的温度，来根本改变传统黑体空腔测温传感器的动态响应特性，进而实现液体(尤其是侵蚀性液体)内部温度的快速、精确、稳定地连续测量。
下面将详细介绍本发明的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置及方法。
如图1所示，一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，包括由透光材料制备而成的感温管1，感温管1的两端分别为开口端和封闭端，感温管1的开口端与测温仪2相连接，感温管1的封闭端插入被测液体介质内部形成感温腔。
通过采用透光材料制备单层结构的感温管1，在将感温管1的封闭端插入被测液体介质中，用于形成近似黑体辐射腔，再通过感温管1的开口端与测温仪2连接，便于接收感温腔底部的热辐射。
作为一优选实施方式，透光材料为在可见光、以及红外光波段0.38～14μm范围内的某段电磁波波段或全部波段可以透过的透光材料。
其中，透光材料的选择是根据测温仪2的响应波段和材料的透过波段共同决定的。
进一步的，透光材料包括石英玻璃、蓝宝石、氧化锆、Si、Ge、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2、金属陶瓷。
作为一优选实施方式，如图2所示，感温管1的封闭端为斜型、半圆型、锥型、瓦楞型、内凹型中的一种。
作为一优选实施方式，感温管1的侧壁为直线型、瓦楞型和凹凸型中的一种。
感温管1的形状影响感温管1的内部感温腔的形状，并且感温腔的形状是决定测温精确性的重要因素，与传统黑体空腔内表面的漫射特性不同，透光性感温腔表面具有镜漫反射特性，随着镜反射比例的增加其测温精度急剧下降，例如：漫射圆柱平底腔体，当底面的法向发射率达到0.995以上时，其同等条件下的纯镜面反射材料构成腔体的法向发射率却接近于0。因此，不同的腔体形状，能够提高测温精度。
作为一优选实施方式，感温管1的外壁设置有一层不透明涂层。当被测液体具有透光性时，通过在感温管1的外壁设置有一层不透明涂层，能够增加测量的精度。
作为一优选实施方式，测温仪2包括连接器201、热辐射聚焦单元202、热辐射接收单元203、以及信号处理与显示单元204，连接器201用于将感温管1的开口端相连接，使感温腔底部与热辐射聚焦单元202对准；热辐射聚焦单元203设置在连接器201上，用于将感温腔底部的热辐射进行聚焦；热辐射接收单元202与热辐射聚焦单元203相连接，用于接收经热辐射聚焦单元202聚焦后的热辐射，并将接收到的热辐射转换成电信号；信号处理与显示单元204用于接收热辐射接收单元202传送的电信号，并将电信号进行处理后，计算被测液体介质温度并进行显示。
如图3所示，一种快速精确连续测量液体介质内部温度的方法，包括：
S100、确定上述的快速精确连续测量液体介质内部温度的装置的感温管1的最小插入深度后，将感温管1的封闭端插入到被测液体介质中；
S200、通过测温仪2将感温腔底部的热辐射进行收集、计算和处理后，确定被测液体介质温度并显示。
本发明使用新型感温腔由于具有透光性，其反射中既包含漫反射也有镜反射成分，同时具有了透射特性，增加了光线的吸收、散射等新特性。
作为一优选实施方式，如图4所示，在根据确定的感温管1的最小插入深度时，包括：
S101、根据被测液体介质的光学特性和测温范围，确定测量系统采用的电磁波波段；
S102、根据被测液体介质的热辐射的电磁波波段，确定感温管1选用的透光材料；
S103、根据透光材料光学特性、感温管结构、以及感温管1与被测液体介质间的传热分析，确定感温腔的有效发射率；
S104、依据感温管1的感温腔的有效发射率和测温精度要求，确定感温管1的最小插入深度。
感温管1插入被测液体介质的最小深度，是本发明方法在使用时保证测温精度的关键工艺参数。它需要依据感温管1的结构特征、材料特性以及感温管与被测液体介质间的传热分析，计算出感温管1内腔底部有效发射率，进而根据热辐射接收器接收到的信号确定出被测液体介质的温度，为传感器小型化和低成本设计奠定基础。
作为一优选实施方式，在将感温管1的封闭端插入到被测液体介质前，还包括：
当被测液体具有透光性时，在感温管1的外壁涂覆一层不透明涂层，使测量精度得以提高。
本发明提供了一种用于测量液体介质内部温度的装置及方法，针对传统的用于测量液体介质内部温度的装置的感温管均由不透光材料来制备而成，进而使感温管内形成黑体空腔，因此，被测液体介质的热量由腔体外壁到内壁会发生热滞后，导致测温装置的传感器响应速度慢的问题，因此，本发明提出采用具有透光材料制备单层结构的感温管，将其置于被测液体中，液体透过腔壁直接形成近似黑体空腔产生热辐射，通过测温仪接收到感温管封口端底部的热辐射，计算出被测液体介质的温度，根本改变传统黑体空腔测温传感器的动态响应特性，进而实现液体(尤其是侵蚀性液体)内部温度的快速、精确、稳定地连续测量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，其特征在于，包括由透光材料制备而成的感温管，所述感温管的两端分别为开口端和封闭端，所述感温管的开口端与测温仪相连接，所述感温管的封闭端插入被测液体介质内部形成感温腔。
2.根据权利要求1所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，其特征在于，所述透光材料为在可见光、以及红外光波段0.38～14μm范围内的某段电磁波波段或全部波段可以透过的透光材料。
3.根据权利要求2所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，其特征在于，所述透光材料包括石英玻璃、蓝宝石、氧化锆、Si、Ge、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2、金属陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，其特征在于，所述感温管的封闭端为斜型、半圆型、锥型、瓦楞型、内凹型中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，其特征在于，所述感温管的侧壁为直线型、瓦楞型和凹凸型中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，其特征在于，所述感温管的外壁设置有一层不透明涂层。
7.根据权利要求1所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的装置，其特征在于，所述测温仪包括连接器、热辐射聚焦单元、热辐射接收单元、以及信号处理与显示单元，
所述连接器用于将所述感温管的开口端相连接，使所述感温腔底部与热辐射聚焦单元对准；
所述热辐射聚焦单元设置在所述连接器上，用于将所述感温腔底部的热辐射进行聚焦；
所述热辐射接收单元与所述热辐射聚焦单元相连接，用于接收经所述热辐射聚焦单元聚焦后的热辐射，并将接收到的热辐射转换成电信号；
所述信号处理与显示单元用于接收所述热辐射接收单元传送的电信号，并将所述电信号进行处理后，计算被测液体介质温度并进行显示。
8.一种快速精确连续测量液体介质内部温度的方法，其特征在于，包括：
确定权利要求1-7中任一项所述的快速精确连续测量液体介质内部温度的装置的所述感温管的最小插入深度后，将所述感温管的封闭端插入到被测液体介质中；
通过所述测温仪将所述感温腔底部的热辐射进行收集、计算和处理后，确定被测液体介质温度并显示。
9.根据权利要求8所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的方法，其特征在于，在根据确定的所述感温管的最小插入深度时，包括：
根据被测液体介质的光学特性和测温范围，确定测量系统采用的电磁波波段；
根据被测液体介质的热辐射的电磁波波段，确定所述感温管选用的透光材料；
根据所述透光材料光学特性、所述感温管结构、以及感温管与被测液体介质间的传热分析，确定感温腔的有效发射率；
依据所述感温管的感温腔的有效发射率和测温精度要求，确定所述感温管的最小插入深度。
10.根据权利要求8所述的一种快速精确连续测量液体介质内部温度的方法，其特征在于，在将所述感温管的封闭端插入到被测液体介质前，还包括：
当被测液体具有透光性时，在所述感温管的外壁涂覆一层不透明涂层，使测量精度得以提高。
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| CN117740199A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心) | 一种温度传感器最小置入深度自动测试装置 |
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2019
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| CN117740199B (zh) * | 2024-02-19 | 2024-05-10 | 江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心) | 一种温度传感器最小置入深度自动测试装置 |
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