CN110375877A - 一种非接触式测温方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非接触式测温方法及装置，根据软磁材料的饱和磁感应强度(Bs)和饱和磁化强度(Ms)随温度升高而单调下降的变化关系(Bs‑T或Ms‑T曲线)，将软磁材料与导电螺线管配合形成用于测温的软磁组件，利用高斯计测量达到饱和磁化状态下的软磁组件在特定位置处的磁感应强度B随温度的变化规律，标定出所用的软磁组件在特定位置处的B值与环境温度的对应关系，然后实现在非接触条件下对软磁组件所处环境的温度测量。本发明还提供根据上述方法实现非接触式测温的装置。本发明适用于密闭容器、高压容器、不便开启及不便连接测温元件的容器内温度的测量，操作简单，测温精度高。

Description

一种非接触式测温方法及装置

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测温方法及装置。

背景技术

在工业、医疗、军事和生活等许多领域，温度监测已成为各行各业进行安全生产以及减少损失采取的重要措施之一。目前的温度测试设备主要有接触式和非接触式两种。通常来说，接触式测温设备比较简单、精度较高，但测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，存在测温延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高温度的测量。非接触式测温设备主要是通过热辐射原理来测温，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，反应速度快，但其精确度较低。

尤其对于密闭容器、高压容器、不方便开启或不方便连接测温元件的容器，目前大多通过测量容器壁的温度来粗略估计其内部温度，无法精确测量容器内部的温度，最终影响工业生产、科研实验和医疗监测。

专利CN102680128B公开的一种非接触式测温方法及利用该测温方法的装置。主要采用μ-T曲线方法测温，但其测温装置复杂，包括励磁线圈，测温感应线圈。在测温过程中需通入交变电流，并且交变电流会产生交变磁场，对所测环境中的精密元件造成影响，不适于精密仪器测量，只适用于家用电器，如电饭煲、电磁炉等等。

专利CN102204780B公开一种非接触式测温的电饭煲及测温方法，磁性感温元件为铁磁体或亚铁磁体，居里温度低，测试范围小，而且也只适用于电饭煲等家用电器。

专利CN102207411B公开一种非接触式测温方法，在测温过程中，针对不同的频率或功率，需预置多个μ-T曲线，而且在测温时采用的比较对象和预置的等同或者最为接近的μ-T曲线进行换算，导致温度测量不准确，在工业生产中带来安全隐患。

由此可见，目前针对于密闭容器、高压容器、不方便开启或不方便连接测温元件的容器内的温度测量，仍然缺乏较精确的测温技术和方法。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种创新性的非接触式测温方法及装置，用于密闭容器、高压容器、不方便开启或不方便连接测温元件的容器的温度测量。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：一种非接触式测温方法是根据软磁材料的饱和磁感应强度(Bs)和饱和磁化强度(Ms)随温度升高而单调下降的变化关系(Bs-T或Ms-T曲线)，将软磁材料与导电螺线管配合形成用于测温的软磁组件，利用高斯计测量达到饱和磁化状态下的软磁组件在特定位置处的磁感应场强度B随温度的变化规律，标定出所用的软磁组件在所述特定位置处的B值与环境温度的对应关系，然后利用高斯计在非接触的情况下测量所述特定位置的B值，通过所述的对应关系得到软磁组件所处环境的温度值。

进一步，所述的软磁材料为非晶合金、纳米晶合金、坡莫合金、铁氧体、硅钢、电工纯铁等材料中的一种或几种。

进一步，所述的软磁组件由软磁材料、直流电源、电阻、导线、开关及缠绕在软磁材料外部的导电螺线管组成；所述导电螺线管、直流电源、电阻、导线、开关电连接；所述软磁组件至少为一个，且须将软磁材料放置在被测温容器内的测量位置。

进一步，所述软磁组件中的直流电源为电池或外部直流电源。

进一步，所述导电螺线管、直流电源和电阻的选择，是基于安培环路定律计算后设计出来的，以确保导电螺线管通电后所产生的磁场可使软磁材料在测温过程中处于饱和磁化状态。

一种使用非接触式测温方法的非接触式测温装置，包括至少一套软磁组件和至少一套测量组件；所述的软磁组件由软磁材料、直流电源、电阻、导线、开关及缠绕在软磁材料外部的导电螺线管组成；所述的软磁材料放置在被测温容器内的特定位置；所述的测量组件由高斯计和与高斯计连接的磁感应强度-温度转换器组成；所述的磁感应强度-温度转换器内置所用的软磁材料在磁饱和状态下所标定的各个测量距离下的磁感应强度-温度曲线。

进一步，所述的非接触式测温装置，测温时，根据软磁材料的测量位置和高斯计的测量距离选择相应的磁感应强度-温度曲线，磁感应强度-温度转换器将高斯计所测得的磁感应强度B值自动转换成温度值。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具有如下的优势：

(1)非接触式测温装置中的软磁组件直接放置在待测温容器内部，与内部介质直接接触，充分进行热交换，材料磁感应强度B值的变化传递到容器外，被高斯计精确测得，在不开启容器或保持容器密闭的条件下实现对容器内温度的精确测量。

(2)非接触测温方法利用软磁组件特性的磁感应强度-温度曲线更为直接、简单准确的获得待测温环境或容器内部温度，适用范围更广。

附图说明

图1为软磁材料的饱和磁化强度与温度(Ms-T)关系曲线示意图(a)、在不同位置的磁感应强度与温度(B-T)曲线的测量装置示意图(b)与高斯计测量的磁感应强度与温度(B-T)关系曲线示意图(c)。

图2为本发明实施例1测温装置的结构示意图。

图3为本发明实施例2测温装置的结构示意图。

附图标示：1为待测温容器、2为软磁组件、21为软磁材料、22为导电螺线管、23为直流电源、24为开关、25为导线、26为电阻、31为高斯计、32为磁感应强度-温度转换器(即B-T转换器)。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步详细说明，为表述简洁明了，装置中的待测温容器结合处、支撑铁架、外部线路连接等结构未在图中显示。

图1所示为本发明的原理示意图，下面进行详细介绍。所有的铁磁性材料，在无相变时，其饱和磁化强度Ms与温度T呈现单一对应关系：即Ms随温度升高而单调下降，如图1(a)所示。饱和磁化强度是铁磁性材料的本征特性，当材料所处的外磁场强度达到一定程度时，其磁化达到饱和状态，且Ms仅与材料种类和温度相关。当温度升高至某一值时，材料由铁磁性变为顺磁性，Ms降为0，此时所对应的温度即为该材料的居里温度Tc。也就是，对于特定的铁磁性材料，当它处于饱和磁化状态时，在无其它磁体干扰的情况下(地磁场可以忽略)，其周围的磁感应强度B的分布和各处的强度值仅与其所处的环境温度相关。据此，本发明设计出利用测量铁磁性材料周围特定位置处的磁感应强度B值，来获得该材料所处环境的温度的方法。鉴于永磁材料在磁化后会永久保持强磁性而消磁的技术要求较高的特征，本发明中的铁磁性材料选用软磁材料：在软磁材料外部缠绕导电螺线管，利用通电螺线管所产生的磁场使其磁化并达到饱和磁化状态；测温完毕后断开电源，材料的强磁性即自行消失，测温组件便于存放和拆装。

首先，需要获得所用的软磁材料在特定位置处的磁感应强度B与温度T的关系曲线。图1(b)为根据上述原理设计出的标定所用的软磁材料在指定位置处的B与T关系的装置示意图。该装置由软磁材料21、导电螺线管22、直流电源23、开关24、导线25、电阻26、高斯计31等组成，各组件之间的相对位置关系如图1(b)所示。在测量过程中，根据安培环路定律和所用软磁材料饱和磁化所需的外磁场强度，设计导电螺线管22的线圈密度、测温时所需电流大小，通入电流，产生足够强的外磁场，使所用的软磁材料达到饱和磁化状态。在软磁材料21的左侧端部中心与高斯计31的特定距离处(如图中所示的5mm和10mm处)，测量不同温度下的B值，获得相对应的标准B-T曲线，如图1(c)所示。将不同测量距离下标定出的标准B-T曲线输入到磁感应强度-温度转换器(即B-T转换器)中。本发明中，B-T转换器为实时采集高斯计测量数据的计算机，并安装测温程序，该测温程序可根据选定的标准B-T曲线自动将B值转换为温度值。

在测温时，根据高斯计相对于所选的软磁材料的测量距离，在测温程序中选定与之相对应的标准B-T曲线，测温程序可自动将高斯计所测量到的B值转换成温度值。下面根据具体的实施例对测温方法进一步说明。

实施例1

图2所示为实施例1的测温装置示意图。软磁材料21为Fe-Si-B非晶合金带材制成的外径为5mm、长为30mm的圆柱形铁芯，直流电源23采用蓄电池。所用的非晶合金实现磁饱和状态所需要的外磁场强度至少为100kA/m，根据安培环路定律设计出导电螺线管22的线圈密度、测温时所需电流大小，并选择合适的导电螺线管22、电池23、电阻26和导线25。将导电螺线管22缠绕在非晶合金铁芯21外部，与直流电源23、开关24、导线25以及电阻26组成软磁组件2。按照图1(b)所示的标定方法，测量非晶合金铁芯21的左侧端部中心与高斯计31在不同距离处，由低温(如-100℃)至接近居里温度(400℃)的范围内不同温度下的B值，获得不同测量距离下的标准B-T曲线，并将各标准B-T曲线输入于B-T转换器中。B-T转换器为实时采集高斯计测量数据的计算机，并安装测温程序，该测温程序可根据选定的标准B-T曲线自动将B值转换为温度值。实际测温时，利用B-T转换器中的测温程序选择与高斯计实际测量距离所对应的标准B-T曲线，并自动将高斯计测量出的B值转换得到非晶合金铁芯21所在的容器或环境内的温度值。

测温步骤如下：

步骤1：将软磁组件2安装在距离容器左端外壁5mm的固定位置处，并在容器外部标记非晶合金铁芯21的中轴线所正对的位置，即测温位置，闭合开关24；

步骤2：闭合容器；

步骤3：打开B-T转换器中的测温程序，选定与测量距离相对应的标准B-T曲线；

步骤4：将高斯计31的探头放置在容器外部标记的测温位置上，测温程序自动显示出容器内的温度值。

若需要持续测量容器内的温度变化，只需将高斯计31的探头固定在测温位置上，测温程序将自动记录温度变化数据；若是断续测量温度，只需重复步骤4即可。

实施例2

图3所示为实施例2的测温装置示意图。软磁材料21为Fe-Si-B-Nb-Cu纳米晶合金带材制成的外径为5mm、长为30mm的圆柱形铁芯，直流电源23采用外部直流电源。所用的纳米晶合金实现磁饱和状态所需要的外磁场强度至少为100kA/m，根据安培环路定律设计出导电螺线管22的线圈密度、测温时所需电流大小，并选择合适的导电螺线管22、电池23、电阻26和导线25。将导电螺线管22缠绕在纳米晶合金铁芯21外部，与直流电源23、开关24、导线25以及电阻26组成软磁组件2。按照图1(b)所示的标定方法，测量纳米晶合金铁芯21的左侧端部中心与高斯计31在不同距离处，由低温(如-50℃)至接近居里温度(570℃)的范围内不同温度下的B值，获得不同测量距离下的标准B-T曲线，并将各标准B-T曲线输入于B-T转换器中。B-T转换器为实时采集高斯计测量数据的计算机，并安装测温程序，该测温程序可根据选定的标准B-T曲线自动将B值转换为温度值。实际测温时，利用B-T转换器中的测温程序选择与高斯计实际测量距离所对应的标准B-T曲线，并自动将高斯计测量出的B值转换得到非晶合金铁芯21所在的容器或环境内的温度值。

测温步骤如下：

步骤1：将软磁组件2安装在距离容器左端外壁10mm的固定位置处，并在容器外部标记纳米晶合金铁芯21的中轴线所正对的位置，即测温位置；

步骤2：闭合容器；

步骤3：打开B-T转换器中的测温程序，选定与测量距离相对应的标准B-T曲线；

步骤4：连通外部直流电源23，闭合开关24，将高斯计31的探头放置在容器外部标记的测温位置上，测温程序自动显示出容器内的温度值。

若需要持续测量容器内的温度变化，只需将高斯计31的探头固定在测温位置上，测温程序将自动记录温度变化数据；若是断续测量温度，只需重复步骤4即可。在测温过程中，外部直流电源和开关无需一直连通和闭合，只需在测温时连通外部直流电源及闭合开关即可。

对于测量具体的容器或环境的温度时，可选择合适的磁性材料、磁性组件数量以及标定的高斯计与磁性组件端部中心特定距离处的B-T曲线，并由B-T转换器自动测量出待测环境或容器的温度值。

上述实施例对本发明技术方案做了系统详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非接触式测温方法，其特征在于，根据软磁材料的饱和磁感应强度(Bs)和饱和磁化强度(Ms)随温度升高而单调下降的变化关系(Bs-T或Ms-T曲线)，将软磁材料与导电螺线管配合形成用于测温的软磁组件，利用高斯计测量达到饱和磁化状态下的软磁组件在测量位置处的磁感应强度B随温度的变化规律，标定出所用的软磁组件在所述测量位置处的B值与环境温度的对应关系，然后利用高斯计在非接触的情况下测量的所述测量位置的B值，通过所述的对应关系得到软磁组件所处环境的温度值。

2.根据权利要求1所述的非接触式测温方法，其特征在于，所述的软磁材料为非晶合金、纳米晶合金、坡莫合金、铁氧体、硅钢、电工纯铁等材料中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的非接触式测温方法，其特征在于，所述的软磁组件由软磁材料、直流电源、电阻、导线、开关及缠绕在软磁材料外部的导电螺线管组成；所述导电螺线管、直流电源、电阻、导线、开关电连接。

4.根据权利要求3所述的非接触式测温方法，其特征在于，所述软磁组件中的直流电源为电池或外部直流电源。

5.根据权利要求3所述的非接触式测温方法，其特征在于，所述导电螺线管、直流电源和电阻的选择，是基于安培环路定律计算后设计出来的，以确保导电螺线管通电后所产生的磁场可使软磁材料在测温过程中处于饱和磁化状态。

6.一种使用权利要求1-5任一一种所述非接触式测温方法的非接触式测温装置，其特征在于，包括至少一套软磁组件和至少一套测量组件；所述的软磁组件由软磁材料、直流电源、电阻、导线、开关及缠绕在软磁材料外部的导电螺线管组成；所述的软磁材料放置在被测温容器内的测量位置；所述的测量组件由高斯计和与高斯计连接的磁感应强度-温度转换器组成；所述的磁感应强度-温度转换器内置所用的软磁材料在磁饱和状态下所标定的各个测量距离下的磁感应强度-温度曲线。

7.根据权利要求6所述的非接触式测温装置，其特征在于，测温时，根据软磁材料的测量位置和高斯计的测量距离选择相应的磁感应强度-温度曲线，磁感应强度-温度转换器将高斯计所测得的磁感应强度B值自动转换成温度值。