CN110260988B - 温度传感器套管处理方法、温度传感器套管及温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热隐身的温度传感器套管处理方法，方法包括以下步骤：建立极坐标系，坐标原点在套管的中心O点，温度传感器套管为中空结构，其包括最大半径为R1的空心区域Z1、最大半径为R2的套管壁内层Z2区和最大半径为R3的套管壁外层Z3区，Z3区的导热系数沿半径变化，计算设计区域的背景温度场，根据傅里叶导热定律和边界得到Z3区的导热系数。

Description

温度传感器套管处理方法、温度传感器套管及温度传感器

技术领域

本发明属于温度测量领域，特别是一种基于热隐身的温度传感器套管处理方法、温度传感器套管及温度传感器。

背景技术

温度传感器可用来测量物体的表面或内部温度，是工业生产和科学研究中必不可少的传感器。到目前为止，已经发展出了多种温度传感器以更加准确地测量温度。然而，现存的温度传感器在测量温度场温度时，会因自身的传热而使被测温度场产生变化，从而影响测量温度的精度。

热隐身技术是继电磁波、声波隐身技术迅速发展之后又一新兴领域。由于热传导方程和麦克斯韦方程同样具有形式不变性，因此受电磁波隐身技术的启发，热隐身技术被用来进行热流调控。当温度场中存在热隐身斗篷时，温度场不会发生变化，同时会在中心区域产生一个均匀温度场。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明针对上述问题，给出了一种基于热隐身的温度传感器套管处理方法、温度传感器套管及温度传感器，明显提高温度传感器测量的精度，本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于热隐身的温度传感器套管处理方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立极坐标系，坐标原点在套管的中心O点，温度传感器套管为中空结构，其包括最大半径为R₁的空心区域Z1、最大半径为R₂的套管壁内层Z2区和最大半径为R₃的套管壁外层Z3区，Z3区的导热系数沿半径变化且按如下公式分布：

其中K_m为Z3区的导热系数，导热系数是半径的多项式函数，r为径向坐标，a_s为每一项的系数，s为每一项的次幂数，1为总项数，根据需要以及可用材料的范围选择总项数1的值，

第二步骤中，计算设计区域的背景温度场，被测温度场为：T_b＝gr cosθ，其中，T_b表示被测温度场，g表示被测温度场的温度梯度，r和θ表示二维极坐标系下的坐标，Z3区的温度分布满足如下公式：T₃＝(Ar+Br^-1)cosθ，其中T₃为Z3区的温度分布，A和B为待定常数，

第三步骤中，根据傅里叶导热定律得到：

在r＝R₃边界处，外层Z3的温度T₃等于被测温度场在该处的温度，有如下关系：(AR₃+BR₃ ^-1)cosθ＝gR₃cosθ，

在r＝R₃边界处，外层Z3的热流等于被测温度场在该处的热流，有如下关系：

其中K_b为被测物体的导热系数，得出关于系数a_s的关系式：

得到Z3区的导热系数。

所述的方法中，第二步骤中，在r＝R₂边界，由于内层Z2为绝热材料，在该边界处热流等于0。

所述的方法中，空心区域填充导热油，温度传感器可以插入其中使得温度传感器通过套管与被测对象间接接触。

根据本发明的另一方面，一种温度传感器套管经由所述基于热隐身的温度传感器套管处理方法处理。

根据本发明的又一方面，温度传感器适配于所述的温度传感器套管。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

传统的温度传感器在测量温度时，由于自身的传热，会导致被测温度场发生变化，从而造成测量温度的失真，甚至会对被测对象工况产生影响。并且，对于一些体积较大的温度传感器，测量复杂温度场分布时，会因传感器体积较大而使得测量结果是一个区域的平均温度，而不是单点温度，从而无法获得所需位置的准确温度。现存的温度传感器可以插入本发明提出的基于热隐身技术的温度传感器套管，再进行温度测量。由于采用热隐身技术，该温度传感器套管可使被测温度场保持原貌，不会因为温度传感器的引入而发生变化，从而不影响被测对象的工况；同时，套管内部温度值等于套管中心点对应的被测温度场的温度，即该套管可以使一个区域的温度等于被测单点的温度，这样，即使温度传感器的体积较大，也可以准确测得被测温度场某一单点温度。综合此两点，该套管可使得温度传感器测量精度提高。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明所述的基于热隐身的温度传感器套管处理方法的温度传感器套管示意图；

图2是本发明所述的基于热隐身的温度传感器套管处理方法的温度传感器套管横截面示意图；

图3(a)、图3(b)是本发明所述的基于热隐身的温度传感器套管处理方法的温度传感器套管效果示意图；

图4是本发明所述的基于热隐身的温度传感器套管处理方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明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发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1-图4所示，一种基于热隐身的温度传感器套管处理方法包括以下步骤：

第一步骤S100中，建立极坐标系，坐标原点在套管的中心O点，温度传感器套管为中空结构，其包括最大半径为R₁的空心区域Z1、最大半径为R₂的套管壁内层Z2区和最大半径为R₃的套管壁外层Z3区，Z3区的导热系数沿半径变化且按如下公式分布：

其中K_m为Z3区的导热系数，导热系数是半径的多项式函数，r为径向坐标，a_s为每一项的系数，s为每一项的次幂数，1为总项数，根据需要以及可用材料的范围选择总项数1的值，

第二步骤S200中，计算设计区域的背景温度场，被测温度场为：T_b＝gr cosθ，其中，T_b表示被测温度场，g表示被测温度场的温度梯度，r和θ表示二维极坐标系下的坐标，Z3区的温度分布满足如下公式：T₃＝(Ar+Br^-1)cosθ，其中T₃为Z3区的温度分布，A和B为待定常数，

第三步骤S300中，根据傅里叶导热定律得到：

在r＝R₃边界处，外层Z3的温度T₃等于被测温度场在该处的温度，有如下关系：(AR₃+BR₃ ^-1)cosθ＝gR₃cosθ，

在r＝R₃边界处，外层Z3的热流等于被测温度场在该处的热流，有如下关系：

其中K_b为被测物体的导热系数，得出关于系数a_s的关系式：

得到Z3区的导热系数。

为了进一步理解本发明，在一个实施方式中，套管的外形是一个中空的圆柱体，套管壁由两层材料构成，分别为内层材料和外层材料。空心区域填充导热油，温度传感器可以插入其中。温度传感器通过套管与被测对象间接接触。空心区域命名为Z1，套管壁内层命名为Z2，套管壁外层命名为Z3。Z1区的最大半径为R₁，Z2区的最大半径为R₂，Z3区最大半径为R₃。O点为套管的中心。其中，内层为绝热材料；外层的导热系数仅沿半径变化，按如下公式分布：

其中K_m为Z3区的导热系数，r为径向坐标。从公式(1)可以看出，外层的导热系数是半径的多项式函数，a_s为每一项的系数，s为每一项的次幂数，1为总项数。

该温度套管的内层选择绝热性较好的材料即可，中心区域填充导热性较好的导热油即可。只有外层导热系数需要根据具体测量情况进行设计。设计外层导热系数即计算公式(1)中每一项的系数a_so外层导热系数的设计方法如以下步骤。

1)如图2所示，建立极坐标系，坐标原点在O点。用户根据需要以及结合可用材料的范围，选择公式(1)中导热系数总项数1的值。

2)如图2所示，根据热传导理论，假设被测温度场的温度形式为：

T_b＝gr cosθ (2)

其中，T_b表示被测温度场，g表示被测温度场的温度梯度，r和θ表示二维极坐标系下的坐标。则在温度套管外层Z3区，温度分布满足如下公式：

T₃＝(Ar+Br^-1)cosθ (3)

其中T₃为Z3区的温度分布。A和B为待定常数。在r＝R₂边界，由于内层Z2为绝热材料，固在该边界处热流等于0。根据傅里叶导热定律，得：

在r＝R₃边界处，外层Z3的温度T₃等于被测温度场在该处的温度，有如下关系：

(AR₃+BR₃ ^-1)cosθ＝gR₃cosθ (5)

在r＝R₃边界处，外层Z3的热流等于被测温度场在该处的热流，有如下关系：

其中K_b为被测物体的导热系数。

3)联立方程(4)-(6)，可以得出如下关于系数a_s的关系式：

用户在选择温度传感器套管外层Z3区材料时，只要其导热系数形式中的各系数a_s满足公式(7)即可。即Z3区材料按照公式(7)选择，即可完成该温度传感器套管的设计。从公式(7)可以看出，Z3区材料导热系数仅与温度传感器套管各层的尺寸和被测物体的导热系数有关，而与被测温度场无关。因此，本发明提出的温度传感器套管不仅可用于测定被测温度场按照公式(2)分布的情况，还可以用于测定任意被测温度场。

如图3(a)、图3(b)所示为本发明方法的仿真结果。图3(a)为被测温度场，O点为需要测量温度的位置，图3(b)为放入本发明提出的温度套管后的温度场，图中细线为等温线。通过对比两图可以看出，图3(b)中温度传感器套管之外温度场相比于图3(a)没有任何变化，即本发明提出的温度传感器套管在测量温度时，不会对被测温度场产生任何影响。图3(b)中温度传感器套管的中空部分没有温度梯度，温度均匀，等于图3(a)被测温度场中被测点0点的温度，即该发明提出的温度传感器套管将待测量的O点的温度扩展为图3(b)中温度套管中空区域的温度，使得中空区域的温度传感器能够准确地测量出O点的温度，实现单点精确测量，从而避免温度传感器直接测量O点温度时，测量的结果为O点周围一个区域的平均温度，造成测量误差。

所述的方法优选实施方式中，第二步骤S200中，在r＝R2边界，由于内层Z2为绝热材料，在该边界处热流等于0。

所述的方法优选实施方式中，空心区域填充导热油，温度传感器可以插入其中使得温度传感器通过套管与被测对象间接接触。

一种温度传感器套管经由所述基于热隐身的温度传感器套管处理方法处理。

温度传感器适配于所述温度传感器套管。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (4)

1.一种基于热隐身的温度传感器套管处理方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤(S100)中，建立极坐标系，坐标原点在套管的中心O点，温度传感器套管为中空结构，其包括最大半径为R₁的空心区域Z1、最大半径为R₂的套管壁内层Z2区和最大半径为R₃的套管壁外层Z3区，内层Z2区为绝热材料，Z3区的导热系数沿半径变化且按如下公式分布：

其中K_m为Z3区的导热系数，导热系数是半径的多项式函数，r为径向坐标，a_s为每一项的系数，s为每一项的次幂数，l为总项数，根据需要以及可用材料的范围选择总项数l的值，

第二步骤(S200)中，计算设计区域的背景温度场，被测温度场为：T_b＝gr cosθ,其中，T_b表示被测温度场，g表示被测温度场的温度梯度，r和θ表示二维极坐标系下的坐标，Z3区的温度分布满足如下公式：T₃＝(Ar+Br^-1)cosθ，其中T₃为Z3区的温度分布，A和B为常数，

第三步骤(S300)中，根据傅里叶导热定律得到：

在r＝R₃边界处，外层Z3的温度T₃等于被测温度场在该处的温度，有如下关系：

(AR₃+BR₃ ^-1)cosθ＝gR₃cosθ，

在r＝R₃边界处，外层Z3的热流等于被测温度场在该处的热流，有如下关系：

其中K_b为被测物体的导热系数，得出关于系数a_s的关系式：

得到Z3区的导热系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，空心区域填充导热油，温度传感器可以插入其中使得温度传感器通过套管与被测对象间接接触。

3.一种温度传感器套管，其特征在于，所述温度传感器套管经由权利要求1-2中任一项所述基于热隐身的温度传感器套管处理方法处理。

4.温度传感器，其特征在于，温度传感器适配于权利要求3所述的温度传感器套管。

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