CN111537099A - 涡流加热及温度检测二合一装置及温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡流加热及温度检测二合一装置及温度检测方法，该装置包括温度检测系统和金属导体，所述温度检测系统包括微控制器、驱动电路、振荡电路、第一检测电路，微控制器用于向驱动电路输出控制信号，由驱动电路驱动振荡电路发生振荡，所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在谐振作用下产生变化的磁场并作用于所述金属导体，所述第一检测电路用于检测所述振荡电路的频率变化，并将检测结果发送给所述微控制器。微控制器通过对接收到的频率进行推算，得到金属导体的温度，并将振荡电路的频率变化与对应温度变化关系进行记录，可以实现加热与温度检测，还可以实现温度精确控制。

Description

涡流加热及温度检测二合一装置及温度检测方法

技术领域

本发明涉及一种涡流加热及温度检测二合一装置及温度检测方法，属于温度测量技术领域。

背景技术

涡流加热技术是一种新型的加热技术，根据电磁感应的加热原理，利用涡流产生的热量来进行加热，与传统的加热方式相比较，其加热效率高、速度快、可靠性高，已在加热领域得到广泛的应用。

当前的涡流加热装置多采用温度传感器对加热装置的温度进行测量，利用这种方式对温度进行测量时，感温元件与被测对象需先进行充分的热交换，这种间接温度传导的测量过程，使得测量值误差较大，滞后性大，且易受电磁干扰，因此难以实现温度的精准测量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了涡流加热及温度检测二合一装置及温度检测方法，在进行加热的同时又可实现温度检测，继而实现精准控温。

本发明提出了一种涡流加热及温度检测二合一装置，包括温度检测系统和金属导体，所述温度检测系统包括微控制器、驱动电路、振荡电路、第一检测电路，微控制器用于向驱动电路输出控制信号，由驱动电路驱动振荡电路发生振荡，所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在谐振作用下产生变化的磁场并作用于所述金属导体，所述第一检测电路用于检测所述振荡电路的频率，并将检测结果发送给所述微控制器。

当检测线圈内流过的电流发生变化时，会在检测线圈的周围产生变化的磁场，当变化的磁场作用到金属导体上，会在金属导体内产生大量的涡流，金属导体内的分子高速运动，使金属导体迅速释放出大量的热量，对金属导体内的待加热材料进行加热。第一检测电路采集到的频率传输给微控制器，微控制器通过对接收到的频率变化进行推算，得出金属导体的磁导率的变化，在金属导体的材质一定的情况下，通过推算得知被加热金属导体的温度，并将振荡电路的频率变化与对应温度变化关系进行记录，微控制器根据频率变化与对应温度变化关系输出相应控制信号给驱动电路，继而实现金属导体的温度精确控制。

所述金属导体优选采用坡莫合金又称铁镍系合金，且镍含量在30～90％。这样的材质具有很强的磁导率，且其磁导率随着温度的变化而变化明显。

本发明还提供了一种基于上述涡流加热及温度检测二合一装置实现的温度检测方法，包括步骤：

在给定温度的条件下，采集振荡电路的频率，并记录温度与频率的映射关系；

实时采集振荡电路的频率，并基于所述映射关系计算出金属导体的当前温度。

另一方面，本发明还提供了另一种结构的涡流加热及温度检测二合一装置，包括温度检测系统和金属导体，所述温度检测系统包括微控制器、驱动电路、振荡电路、第二检测电路，微控制器用于向驱动电路输出控制信号，由驱动电路驱动振荡电路发生振荡，所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在谐振作用下产生变化的磁场并作用于所述金属导体，所述第二检测电路用于检测所述振荡电路的输出电压，并将检测结果发送给所述微控制器。

本方案中，第二检测电路是检测振荡电路的输出电压，微控制器通过对接收到的输出电压进行推算，可计算出金属导体的电导率的变化，再通过推算便可得知被加热的金属导体的温度，实现温度检测。将振荡电路中输出电压变化与对应温度变化关系进行记录，微控制器根据输出电压变化与对应温度变化关系输出相应控制信号给驱动电路，继而可以实现金属导体的温度精确控制。

同时，本发明实施例也提供了一种基于上述涡流加热及温度检测二合一装置实现的温度检测方法，包括步骤：

在给定温度的条件下，采集振荡电路的输出电压，并记录温度与输出电压的映射关系；

实时采集振荡电路的输出电压，并基于所述映射关系计算出金属导体的当前温度。

本发明有益效果：本发明既可以利用电磁效应对被加热物体进行加热，同时微控制器根据频率变化(或输出电压变化)与对应温度变化关系输出相应控制信号给驱动电路，可以实现金属导体的温度精确控制。

另外，根据电磁感应原理，利用涡流效应产生的热量对被加热材料进行加热烘烤，加热效率高、加热均匀性好，能够有效改善消费者的使用体验。

另外，无需另外增加接触式的测温元件对装置的加热温度进行测量，能够避免测温延迟现象对温度控制的影响，从而实现精准控温。

附图说明

图1是温度检测系统原理框图；

图2是金属导体与检测线圈位置关系示意图；

图3为实施例中振荡电路的电气原理图。

图4为实施例1中测温原理等效电路图。

图5为实施例2中测温原理等效电路图。

图中各标号：1-温度检测系统、2-金属导体、3-微控制器、4-驱动电路、5-振荡电路、6-第一检测电路、8-检测线圈、7-振荡电容。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1

如图1-3所示，本发明实施例提供的涡流加热及温度检测二合一装置，包括温度检测系统1和金属导体2。其中，金属导体2采用铁镍系合金，且镍含量在30～90％。其中，温度检测系统包括微控制器3、驱动电路4、振荡电路5、检测电路6。

如图2所示，振荡电路包括检测线圈8和振荡电容7，检测线圈8与金属导体2靠近安装且留有一定空隙，以便变化的磁场作用于金属导体2后产生涡流。间隙的具体大小需要根据被加热对象来定，本实验中空隙在2-5mm之间均可。当检测线圈8内流过的电流发生变化时，会在检测线圈8的周围产生变化的磁场，当变化的磁场作用到金属导体2上，会在金属导体2内产生大量的涡流，金属导体2内部的分子高速运动，使金属导体2迅速释放出大量的热量，对与金属导体2接触的待加热材料进行加热。

振荡电路5的完整结构可以是一个全桥逆变电路或者半桥逆变电路，如附图3所示为全桥的串联谐振逆变电路。驱动电路4的作用是驱动振荡电路5发出振荡，检测电路6的作用是检测振荡电路5的频率(谐振频率)，驱动电路4、检测电路6的电路结构也都可以采用现有相应成熟电路。

金属导体2的磁导率会随着温度的变化而变化，变化的磁导率进一步影响到振荡电路5的频率变化，检测电路6通过检测振荡电路5的频率变化，并将检测结果发送到微控制器3。微控制器3通过对接收到的频率进行推算，当金属导体2的材质确定时，通过推算即可获得金属导体2的温度变化，微控制器3向驱动电路4输出控制信号，驱动振荡电路5发生振荡，对金属导体2的温度进行控制，从而实现精准控温。

在本实施例中，检测电路的等效电路如图4所示，被测信号经互感M与L、C构成串联谐振电路，调节可变电容C的大小，使电路发生串联谐振,回路电流最大,此时，

即在振荡电路5中，振荡电路5的频率f₁如式(1)所示：

其中，L为检测线圈8的电感量，C为振荡电容7的电容量，在上述公式中，振荡电路5的频率f₁可由检测电路6检测得到，振荡电容7的电容量已知，通过计算便可得到检测线圈8的电感量L。

电感量L的计算公式可由下式(2)得到，

其中μ₀为真空磁导率，μ_S为金属导体的相对磁导率，N为检测线圈的匝数，S为检测线圈的横截面积，l为检测线圈的长度，k为系数，取决于检测线圈的半径R与其长度l的比值，可通过查阅对应k值表得到。

在电感量L的计算公式中，由于k、μ₀、N、S及l都已知，通过公式便可求得μ_S。

对于铁磁体，当温度在其居里温度点以下时，其相对磁导率μ_S与温度T之间存在一元函数关系，由此相对磁导率μ_S与温度T之间的关系可表示为μ_s＝f(T),通过以上几个式子便可得知金属导体2的温度T的计算公式为：

其中，f为金属导体的温度映射为金属导体的相对磁导率的映射关系，l为检测线圈的长度，f₁为谐振电路的振荡频率，N为检测线圈的匝数，μ₀为真空磁导率，C为振荡电容的电容量，S为检测线圈的横截面积。

金属导体2的磁导率会随着温度的变化而变化，这些变化的磁导率会影响振荡电路5的电感变化，进而影响到振荡频率的变化，检测电路6检测到这些频率的变化并将其发送到微控制器3，微控制器3经过计算和判断，即可得到金属导体2的温度，并将振荡电路5的频率变化与对应温度变化关系进行记录。

检测电路6以一定的采样频率对振荡电路5的频率进行采集，以确保温度检测系统能实时反映加热装置的温度变化情况。

经过上述分析可知，本实施例中同时提供了一种基于上述二合一装置实现的温度检测方法，包括步骤：

在给定温度的条件下，采集振荡电路的频率，并记录温度与频率的映射关系；

实时采集振荡电路的频率，并基于所述映射关系计算出金属导体的当前温度。

也就是说，上述二合一装置中，微控制器根据第一检测电路所传输的频率测算出金属导体的当前温度，然后基于预先建立的温度与频率的映射关系，向驱动电路输出相应的控制信号，继而实现温度精确控制。

实施例2

本实施例中提供了另一种测温原理的涡流加热及温度检测二合一装置，与实施例1中所述的涡流加热及温度检测二合一装置相比，区别在于，本实施例中检测电路的结构和作用不同。为了便于区分，可以将实施例1中的检测电路命名为第一检测电路，而本实施例中检测电路命名为第二检测电路，因此本实施例中后文描述中的检测电路(包括检测电路6)即是指第二检测电路。第二检测电路的作用是检测振荡电路5的输出电压，并将检测结果发送给微控制器3。此时，微控制器则根据第二检测电路所传输的输出电压测算出金属导体的当前温度，并基于预先建立的温度与输出电压的映射关系，向驱动电路输出相应的控制信号，继而实现温度精确控制。

具体的，感应线圈8中通以正弦交变电流I₁时，感应线圈8周围的空间必然产生正弦的交变磁场H₁，置于此磁场中的金属导体2就会产生相应的感应涡流I₂，I₂又可以产生新的交变磁场H₂。感应线圈8与金属导体2靠近安装且留有一定的空隙，当新的交变磁场H₂作用到金属导体2上，则会在金属导体2内产生大量的涡流，金属导体2内的分子高速运动，使金属导体2迅速释放出大量的热量，以此实现对与金属导体2接触的被加热材料进行加热。

在这一过程中，由楞次定律可知，新的交变磁场H₂的作用将反抗原磁场H₁，由于磁场H₂的作用，涡流要消耗一部分的能量，导致感应线圈8的等效阻抗Z发生变化。将在金属导体2上形成的电涡流等效成一个短路环，假设电涡流仅分布于该短路环之中。其等效电路图如图4所示，根据基尔霍夫第一定律、第二定律可列出如下的方程式(1)：

在公式(1)中，ω为感应线圈8激励电流的角频率，R₁为感应线圈8的电阻，L₁为感应线圈8的电感，R₂为短路环等效电阻，L₂为短路环等效电感，M为互感系数。通过对上述两个式子进行推导整理后可以得到感应线圈8等效阻抗Z的表达式：

在公式(2)中，R_eq为感应线圈8受电涡流影响后的等效电阻，L_eq为感应线圈8受电涡流影响后的等效电感。由以上的公式推导可以知道，感应线圈8的等效阻抗Z的变化完全取决于金属导体2的电涡流效应。

影响电涡流的因素包括：感应线圈8与被测金属导体2之间间隙的大小x,被测金属导体的电导率ρ和磁导率μ，感应线圈中激励电流的频率f,感应线圈与被测金属导体的尺寸因子r。因此受电涡流效应影响时的等效阻抗z的函数关系式可以写为

Z＝f(ρ，μ，r，f，x) (3)

如果保持上式(3)中其它的参数不变，而只改变其中一个参数，等效阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数，测量出等效阻抗Z的变化即可实现对该参数的测量。而被测金属导体的电导率ρ又与被测金属导体的温度t有关，当测量过程中其它的参数条件不变时，此关系式又可以相应的写为Z＝f(t)，即测量出等效阻抗Z的变化量就可以相应的得到被测金属导体的表面温度。

当给振荡电路5提供一个频率为f₀,稳定的正弦交变电流I₁时，振荡电路5的输出电压为U₀＝I₁f(z),式中的Z为振荡电路的等效阻抗。当感应线圈8与金属导体2之间的间距固定时，随着金属导体2的温度发生变化，其电阻率ρ也会相应的发生变化。电阻率随温度变化的公式如下所示，ρ＝ρ₀(1+αt),式中的ρ₀为0℃对应的电阻率，ρ为t℃时对应的电阻率，α为电阻温度系数，t为待求的温度。电阻率的计算公式为

式中L为材料的长度，S为截面积，R为电阻。故由前面感应线圈8等效阻抗Z的推导公式可知，当金属导体2的电阻率ρ发生变化时，感应线圈8受电涡流影响后的等效阻抗Z相应的发生变化。故在振荡电路5中，当激励电流I₀稳定，等效阻抗Z发生变化时，输出电压U₀相应的发生变化。

金属导体2的电导率会随着温度的变化而变化，这些变化的电导率会影响振荡电路5中感应线圈的等效阻抗Z变化，进而影响到振荡电路5中输出电压U₀的变化，检测电路6检测到振荡电路中输出电压U₀的变化并将其发送到微控制器3，微控制器3经过计算和判断，得到金属导体2的温度，并将振荡电路5中输出电压U₀的变化与对应温度变化关系进行记录。微控制器3只需根据所获得的振荡电路5中输出电压U₀的变化即可计算得知金属导体2的温度，从而实现对温度的精准控制。

第二检测电路以一定的采样频率对振荡电路5的输出电压进行采集，以确保温度检测系统能实时反映加热装置的温度变化情况。

经过上述分析可知，本实施例中同时提供了一种基于上述涡流加热及温度检测二合一装置实现的温度检测方法，包括步骤：

在给定温度的条件下，采集振荡电路的输出电压，并记录温度与输出电压的映射关系；

实时采集振荡电路的输出电压，并基于所述映射关系计算出金属导体的当前温度。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种涡流加热及温度检测二合一装置，其特征在于，包括温度检测系统和金属导体，所述温度检测系统包括微控制器、驱动电路、振荡电路、第一检测电路，微控制器用于向驱动电路输出控制信号，由驱动电路驱动振荡电路发生振荡，所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在谐振作用下产生变化的磁场并作用于所述金属导体，所述第一检测电路用于检测所述振荡电路的频率，并将检测结果发送给所述微控制器。

2.根据权利要求1所述的一种涡流加热及温度检测二合一装置，其特征在于，微控制器根据第一检测电路所传输的频率测算出金属导体的当前温度，并基于预先建立的温度与频率的映射关系，向驱动电路输出相应的控制信号。

3.根据权利要求1所述的一种涡流加热及温度检测二合一装置，其特征在于，所述金属导体采用铁镍系合金，且镍含量在30～90％。

4.基于权利要求1所述的涡流加热及温度检测二合一装置实现的温度检测方法，包括步骤：

在给定温度的条件下，采集振荡电路的频率，并记录温度与频率的映射关系；

实时采集振荡电路的频率，并基于所述映射关系计算出金属导体的当前温度。

5.一种涡流加热及温度检测二合一装置，其特征在于，包括温度检测系统和金属导体，所述温度检测系统包括微控制器、驱动电路、振荡电路、第二检测电路，微控制器用于向驱动电路输出控制信号，由驱动电路驱动振荡电路发生振荡，所述振荡电路包括检测线圈和振荡电容，检测线圈用于在谐振作用下产生变化的磁场并作用于所述金属导体，所述第二检测电路用于检测所述振荡电路的输出电压，并将检测结果发送给所述微控制器。

6.根据权利要求5所述的一种涡流加热及温度检测二合一装置，其特征在于，微控制器根据第二检测电路所传输的输出电压测算出金属导体的当前温度，并基于预先建立的温度与输出电压的映射关系，向驱动电路输出相应的控制信号。

7.根据权利要求5所述的一种涡流加热及温度检测二合一装置，其特征在于，所述金属导体采用铁镍系合金，且镍含量在30～90％。

8.基于权利要求5所述的涡流加热及温度检测二合一装置实现的温度检测方法，包括步骤：

在给定温度的条件下，采集振荡电路的输出电压，并记录温度与输出电压的映射关系；

实时采集振荡电路的输出电压，并基于所述映射关系计算出金属导体的当前温度。

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