CN110617906B - 一种温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量方法，包括恒温恒速水槽、支撑架、机械臂、数据记录仪；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数据记录仪连接；所述恒温恒速水槽包括旋转筒体和静置筒体，旋转筒体套装在静置筒体外部；所述数据记录仪设置有第一导线、第二导线、第三导线和第四导线，第一导线设置在恒温恒速水槽中，第二导线与温度传感器相连，第三导线与支撑架相连，第四导线与机械臂相连；本发明能够对温度传感器进行动态响应校准，准确测量产生阶跃温度的时间，判断温度阶跃时间与传感器时间常数的关系，保证校准结果有效。

Description

一种温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量方法

技术领域

本发明涉及温度传感器动态响应校准技术领域，具体为一种温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量方法。

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，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，即传感器热响应时间校准过程主要包括：产生稳定的校准工况(稳定的速度场、温度场)；使温度传感器接受温度阶跃激励；由测试系统采集被校传感器对阶跃的响应信号，计算出热响应时间。

温度阶跃系统是为了给被校传感器提供一个定量的温度突变。按照校准工况所规定的温度阶跃量，给温度传感器加温度阶跃。我国计量技术规范JJF1049-1995《温度传感器动态响应校准》中规定，产生温度阶跃所需的时间，应小于被校准传感器时间常数的10％，校准结果才有效。

现有技术中，如我国公布的一项发明专利《裸露式热电偶动态响应时间测量装置》，申请号201611250738.9，该发明“利用气压推动冲击气缸活塞杆运动，使裸露式热电偶沿着水平方向快速插入高温球形黑体炉内，减少了裸露式热电偶的运动时间，减小了裸露式热电偶动态响应时间的测量误差。”未对产生温度阶跃的时间进行测量，产生温度阶跃所需的时间，不能确定是否小于被校传感器时间常数的10％，因而校准结果是否有效，值得怀疑。。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量方法，包括恒温恒速水槽、支撑架、机械臂、数据记录仪；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数据记录仪连接；所述恒温恒速水槽包括旋转筒体和静置筒体，旋转筒体套装在静置筒体外部；所述数据记录仪设置有第一导线、第二导线、第三导线和第四导线，第一导线设置在恒温恒速水槽中，第二导线与温度传感器相连，第三导线与支撑架相连，第四导线与机械臂相连。

优选的，所述旋转筒体底端设置有滚珠支盘，滚珠支盘固定在地面上；在滚珠支盘内侧设置有齿轮盘，与齿轮盘相配合设置有第一齿轮，第一齿轮安装在第一电机上。

优选的，所述静置筒体上固定有加热棒，加热棒沿着静置筒体均匀设置有多根；所述旋转筒体和静置筒体的连接处设置有橡胶密封条。

优选的，所述支撑架包括滚珠螺母座、电连接台、滚珠丝杆、手轮，所述滚珠丝杆一端固定在支撑架上，另一端从支撑架上穿出，且固定安装有手轮；所述滚珠螺母座套装在滚珠丝杆上，且与滚珠丝杆相互配合；所述电连接台固定在支撑架侧面，且第三导线与电连接台相互连接。

优选的，所述机械臂包括第二电机、第二齿轮、同步带、同步座，所述第二齿轮安装在第二电机上，同步座安装在同步带上，同步带安装在滚珠螺母座上，第二齿轮与同步带相互配合，同步带、同步座相互配合；所述温度传感器安装在同步座上，第四导线与同步座相互连接，且与电连接台上的第三导线相互配合。

优选的，所述数据记录仪设置有第一通道、第二通道、第三通道，第一通道与第一导线、第二导线连接，第二通道与第三导线、第四导线连接，第三通道与引出线连接。

优选的，所述第一导线和第三导线上串联有电压稳压源。

优选的，本发明还提供了一种温度传感器动态响应校准装置的阶跃时间测量方法，包括如下步骤：

S1：开启恒温恒速水槽，控制第一电机与加热棒工作，将水温和流速稳定在设定值；

S2：转动手轮调整滚珠螺母座的位置，开启数据记录仪，采集第一导线和第二导线间的电阻和时间、第三导线和第四导线间的电阻和时间；

S3：控制第二电机工作，调整同步座的位置，使同步座上的第四导线与电连接台上的第三导线相互配合；

S4：数据记录仪采集到的第一导线和第二导线、第三导线和第四导线电阻值突变时刻的间隔即为温度阶跃时间；

S5：测量完毕，将同步座收回至初始位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够自由设置水温与转速，提供不同的环境；不仅能够对温度传感器进行动态响应校准，还能够准确测量产生阶跃温度的时间，判断产生温度阶跃的时间与传感器时间常数的关系，保证校准结果有效。

附图说明

图1是本发明实施例1温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量的起始状态示意图；

图2是本发明实施例1温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量的接触状态示意图；

图3是本发明实施例2温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量的接触状态示意图。

图中标号：1、恒温恒速水槽；11、旋转筒体；12、加热棒；13、静置筒体；14、滚珠支盘；15、第一齿轮；16、第一电机；17、齿轮盘；2、支撑架；21、滚珠螺母座；22、电连接台；23、滚珠丝杆；24、手轮；3、机械臂；31、第二电机；32、第二齿轮；33、同步带；34、同步座；4、数据记录仪；41、第一导线；42、第二导线；43、第三导线；44、第四导线；45、第一通道；46、第二通道；47、第三通道；5、温度传感器；51、引出线；6、电压稳压源。

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“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。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种温度传感器动态响应校准装置及阶跃时间测量方法，包括恒温恒速水槽1、支撑架2、机械臂3、数据记录仪4；所述支撑架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；所述机械臂3底端安装有温度传感器5，温度传感器5通过引出线51与数据记录仪4连接；所述恒温恒速水槽1包括旋转筒体11和静置筒体13，旋转筒体11套装在静置筒体13外部；所述数据记录仪4设置有第一导线41、第二导线42、第三导线43和第四导线44，第一导线41设置在恒温恒速水槽1中，第二导线42与温度传感器5相连，第三导线43与支撑架2相连，第四导线44与机械臂3相连。

所述旋转筒体11底端设置有滚珠支盘14，滚珠支盘14固定在地面上；在滚珠支盘14内侧设置有齿轮盘17，与齿轮盘17相配合设置有第一齿轮15，第一齿轮15安装在第一电机16上。

进一步的，所述静置筒体13上固定有加热棒12，加热棒12沿着静置筒体13均匀设置有多根；所述旋转筒体11和静置筒体13的连接处设置有橡胶密封条。

进一步的，所述支撑架2包括滚珠螺母座21、电连接台22、滚珠丝杆23、手轮24，所述滚珠丝杆23一端固定在支撑架2上，另一端从支撑架2上穿出，且固定安装有手轮24；所述滚珠螺母座21套装在滚珠丝杆23上，且与滚珠丝杆23相互配合；所述电连接台22固定在支撑架2侧面，且第三导线43与电连接台22相互连接。

进一步的，所述机械臂3包括第二电机31、第二齿轮32、同步带33、同步座34，所述第二齿轮32安装在第二电机31上，同步座34安装在同步带33上，同步带33安装在滚珠螺母座21上，第二齿轮32与同步带33相互配合，同步带33、同步座34相互配合；所述温度传感器5安装在同步座34上，第四导线44与同步座34相互连接，且与电连接台22上的第三导线43相互配合。

进一步的，所述数据记录仪4设置有第一通道45、第二通道46、第三通道47，第一通道45与第一导线41、第二导线42连接，第二通道46与第三导线43、第四导线44连接，第三通道47与引出线51连接。

进一步的，所述第一导线41和第三导线43上串联有电压稳压源6。

具体的：

实施例1：旋转筒体11通过其底部固定的齿轮盘17与第一电机16带动的第一齿轮15相啮合而转动，且旋转筒体11由滚珠支盘14支撑；通过使加热棒12工作加热水到指定温度，旋转筒体11和静置筒体13间的相对运动带动水旋转。旋转筒体11与所述静置筒体13连接处通过设置橡胶密封条避免水的泄漏，通过调节加热棒12的功率将水加热到不同温度，通过调节旋转筒体11的转速使水产生不同的流速。

转动手轮24，带动滚珠丝杆23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。

通过第二电机31工作，带动第二齿轮32工作，与同步带33配合，带动同步座34工作，上下移动，进而调整温度传感器5的位置；改变第二电机31的转速，使同步座34具有不同的运动速度。同步座34运动到终点位置时与电连接台22接触，其上的第三导线43、第四导线44相互配合。

测量时，对恒温恒速水槽1设定温度和流速值，等待水的温度和流速稳定在设定值。此时，温度传感器动态响应校准装置的状态如图1所示，同步座34升到最高位置，被校准温度传感器5在水面之上。

其次开启数据记录仪4，采集第一导线41和第二导线42间的电阻值，采集第三导线43和第四导线44间的电阻值，采集温度传感器5的电信号，同时记录时间。此时，第一导线41和第二导线42间的电阻值为无穷大，第三导线43和第四导线44间的电阻值也为无穷大，温度传感器5的电信号值为室温下的电信号值。

然后设置机械臂3的行程和速度，开启机械臂3，使同步座34运动到与电连接台22接触的位置，如图2所示。在此过程中，温度传感器5首先插入水中，第一导线41和第二导线42导通，其间电阻值突变为一个较小值；同步座34与电连接台22接触时，第三导线43和第四导线44导通，其间电阻值突变为一个较小值。这两个突变时刻的间隔即为产生温度阶跃的时间。温度传感器5受到温度阶跃的激励，其电信号值发生明显的变化，待其与水环境达到热平衡，其电信号值为水温度下的电信号值。此时停止数据采集，将温度传感器5从水中提出，恢复到图1所示的状态。

分析数据记录仪4采集到的数据，第一导线41和第二导线42导通的时刻为温度传感器5的时间常数的开始时刻，温度传感器5的电信号为电信号阶跃量的63.2％的时刻为时间常数的终止时刻，开始时刻与终止时刻的间隔即为时间常数。如果产生温度阶跃的时间小于时间常数的10％，则校准结果有效，否则需要增大机械臂3的下降速度。待温度传感器5恢复到室温，重新进行校准。

本实施例选择Pt100铂热电阻作为被校准温度传感器5，室温为20℃，水温为70℃，即温度阶跃为50℃。在温度传感器动态响应校准装置上对Pt100铂热电阻进行标定，在20℃时，其电阻值为107.8Ω，在70℃时，其电阻值为127.3Ω。所以温度阶跃对应的电阻值阶跃为19.5Ω。在计算时间常数时，当Pt100铂热电阻达到温度阶跃量的63.2％时，所对应的温度为51.6℃，所对应的电阻值为120.12Ω。

设置机械臂3的运动速度为2m/s，开启数据记录仪4，开始采集数据；同时开启机械臂3将Pt100铂热电阻温度传感器5投入水中，30s后，使机械臂复位，将温度传感器5从水中提出。

数据记录仪4在1.257s时采集到第一导线41和第二导线42间的电阻发生突变。

数据记录仪4在1.381s时采集到第三导线43和第四导线44间的电阻发生突变。

数据记录仪4在3.544s时采集到Pt100铂热电阻的电阻值为120.12Ω。

计算可知，产生温度阶跃所需的时间为0.124s，Pt100铂热电阻的时间常数为2.287s，阶跃时间小于时间常数的10％，校准结果有效。

实施例2：如图3所示，与实施例1的不同之处在于，第一导线41和第三导线43上串联电压稳压源6，数据记录仪4的第一通道45和第二通道46采集电压信号。通过数据记录仪4内的内置变送器，可以采集温度传感器5的电压信号。其余工作方式与实施例1相同。

值得注意的是：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 (6)

1.一种温度传感器动态响应校准装置，其特征在于：包括恒温恒速水槽(1)、支撑架(2)、机械臂(3)、数据记录仪(4)；所述支撑架(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；所述机械臂(3)底端安装有温度传感器(5)，温度传感器(5)通过引出线(51)与数据记录仪(4)连接；所述恒温恒速水槽(1)包括旋转筒体(11)和静置筒体(13)，旋转筒体(11)套装在静置筒体(13)外部；所述数据记录仪(4)设置有第一导线(41)、第二导线(42)、第三导线(43)和第四导线(44)，第一导线(41)设置在恒温恒速水槽(1)中，第二导线(42)与温度传感器(5)相连，第三导线(43)与支撑架(2)相连，第四导线(44)与机械臂(3)相连，其中，所述支撑架(2)包括滚珠螺母座(21)、电连接台(22)、滚珠丝杆(23)、手轮(24)，所述滚珠丝杆(23)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(24)；所述滚珠螺母座(21)套装在滚珠丝杆(23)上，且与滚珠丝杆(23)相互配合；所述电连接台(22)固定在支撑架(2)侧面，且第三导线(43)与电连接台(22)相互连接，所述机械臂(3)包括第二电机(31)、第二齿轮(32)、同步带(33)、同步座(34)，所述第二齿轮(32)安装在第二电机(31)上，同步座(34)安装在同步带(33)上，同步带(33)安装在滚珠螺母座(21)上，第二齿轮(32)与同步带(33)相互配合，同步带(33)、同步座(34)相互配合；所述温度传感器(5)安装在同步座(34)上，第四导线(44)与同步座(34)相互连接，且与电连接台(22)上的第三导线(43)相互配合。

2.根据权利要求1所述的一种温度传感器动态响应校准装置，其特征在于：所述旋转筒体(11)底端设置有滚珠支盘(14)，滚珠支盘(14)固定在地面上；在滚珠支盘(14)内侧设置有齿轮盘(17)，与齿轮盘(17)相配合设置有第一齿轮(15)，第一齿轮(15)安装在第一电机(16)上。

3.根据权利要求1所述的一种温度传感器动态响应校准装置，其特征在于：所述静置筒体(13)上固定有加热棒(12)，加热棒(12)沿着静置筒体(13)均匀设置有多根；所述旋转筒体(11)和静置筒体(13)的连接处设置有橡胶密封条。

4.根据权利要求1所述的一种温度传感器动态响应校准装置，其特征在于：所述数据记录仪(4)设置有第一通道(45)、第二通道(46)、第三通道(47)，第一通道(45)与第一导线(41)、第二导线(42)连接，第二通道(46)与第三导线(43)、第四导线(44)连接，第三通道(47)与引出线(51)连接。

5.根据权利要求1所述的一种温度传感器动态响应校准装置，其特征在于：所述第一导线(41)和第三导线(43)上串联有电压稳压源(6)。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种温度传感器动态响应校准装置的阶跃时间测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：开启恒温恒速水槽(1)，控制第一电机(16)与加热棒(12)工作，将水温和流速稳定在设定值；

S2：转动手轮(24)调整滚珠螺母座(21)的位置，开启数据记录仪(4)，采集第一导线(41)和第二导线(42)间的电阻和时间、第三导线(43)和第四导线(44)间的电阻和时间；

S3：控制第二电机(31)工作，调整同步座(34)的位置，使同步座(34)上的第四导线(44)与电连接台(22)上的第三导线(43)相互配合；

S4：数据记录仪(4)采集到的第一导线(41)和第二导线(42)、第三导线(43)和第四导线(44)电阻值突变时刻的间隔即为温度阶跃时间；

S5：测量完毕，将同步座(34)收回至初始位置。

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