CN112504512A - 测温传感器精度自检测和自校准方法、电子设备、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供测温传感器精度自检测和自校准方法，包括步骤：计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，计算主测温器件的理论温度，计算主测温器件的测温偏差，检测传感器精度；计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，计算理论真值，校准测温器件。本发明涉及一种电子设备和存储介质，用于执行上述方法。本发明实现接触式测温传感器的自检测和自校准，解决了传感器长时间使用后，温度基准漂移，测温不准确、误报警等问题。减少了人工维护和检测校准工作，使测温传感器的长期在线运行成为可能，延长了测温传感器的使用寿命，提高了测温传感器的测温精度，从而解决了一系列与测温传感器精度问题相关的被测设备系统性问题。

Description

测温传感器精度自检测和自校准方法、电子设备、存储介质

技术领域

本发明涉及测温传感器技术领域，尤其涉及测温传感器精度自检测和自校准方法、电子设备、存储介质。

背景技术

测温传感器在长期的使用过程中，测温芯片(或测温探头)的精度会随着使用时长而变差，导致检测结果存在误差甚至错误，从而失去对被测设备的有效监控，对被测设备系统产生一系列的潜在威胁。因此，运维人员需要定期对测温传感器进行精度校准。

现有的有线测温传感器校准工作需要运维人员定期到现场，对温度传感器进行单独校准。一方面，需要耗费较多人力，增加了运维工作的工作量；另一方面，校准的过程中需要将相应的被测设备停运，会造成了经济损失。

行业目前使用的无线测温传感器主要是通过固定间隔时间，主控模块采集温度，然后通过无线模块发射到接收主机。如申请号201610727307.0的专利，采用温度开关作为校准的关键参照器件，而温度开关器件本身的精度不高，通常为±5℃的测温公差。而作为电力设备监测用的测温传感器一般采用半导体测温器件，精度较高，一般达到±2℃。所以用低精度的器件取校准高精度器件，不合理，不具有可行性。无线测温传感器使用在高压电力设备上，而高压电力设备一但运行后不能轻易停电，因此，急需一种测温传感器精度自检测和自校准的方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供测温传感器精度自检测和自校准方法，解决了测温传感器长时间使用后，温度基准漂移，测温不准确、误报警等问题。

本发明提供测温传感器精度自检测和自校准方法，所述的自检测方法，包括以下步骤：

计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，将第一辅助测温器件、第二辅助测温器件、主测温器件的实测温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得当前静态状态下的模型参数值；

计算主测温器件的理论温度，将所述当前静态状态下的模型参数值、实测的第一辅助测温器件的温度和第二辅助测温器件的温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得主测温器件的理论温度；

计算主测温器件的测温偏差，计算所述主测温器件的理论温度与实测的主测温器件的温度的差值，得到主测温器件的测温偏差；

检测传感器精度，判断所述主测温器件的测温偏差是否在容许偏差范围内，是则判定为传感器精度正常，否则判定为传感器精度超差，若判定为超差，则传感器控制系统记录所述主测温器件的测温偏差，同时启动自校准方法；

所述的自校准方法，包括以下步骤：

计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，将所述第一辅助测温器件、所述第二辅助测温器件、所述主测温器件的实测温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得当前静态状态下的模型参数值；

计算理论真值，根据自校准探头结构的导热特征函数进行反向求解，得到对应的当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值，通过温差算法反向计算出主测温器件的温度理论真值和第二辅助测温器件的温度理论真值；

校准测温器件，启动校准命令，使用所述第一辅助测温器件的温度理论真值、所述主测温器件的温度理论真值和所述第二辅助测温器件的温度校准当前第一辅助测温器件、主测温器件、第二辅助测温器件的温度。

进一步地，在所述的自检测方法中，

所述当前自校准探头结构的热传导模型参数值的计算公式为：

k＝f(T₂)＝aT₂ ²+bT₂+c

其中，a,b,c为常系数；由自校准探头结构的原始测试数据拟合确定；T₂为当前静态状态第一辅助测温器件的实测温度值；

所述自校准探头结构的热传导模型为：

λ₁(T₁-T₂)＝λ₂(T₂-T₃)

令：

则：T₁＝k(T₂-T₃)+T₂

所述主测温器件的理论温度的计算公式为：

T_1LL＝k(T₂-T₃)+T₂

其中，λ₁为主测温器件到第一辅助测温器件之间的导热系数，λ₂为第一辅助测温器件到第二辅助测温器件之间的导热系数，T₁为实测的主测温器件的温度，T₂为实测的第一辅助测温器件的温度，T₃为实测的第二辅助测温器件的温度，k为模型参数，T_1LL为主测温器件的理论温度。

进一步地，所述主测温器件的测温偏差计算公式为：

dT₁＝T_1LL-T_1SC

其中，dT₁为主测温器件的测温偏差，T_1SC为实测的主测温器件的温度。

进一步地，所述容许偏差为±2℃。

进一步地，在所述的自校准方法中，

所述当前自校准探头结构的热传导模型参数值计算公式为：

进一步地，所述当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值计算公式为：

因：

又：k＝f(T_2z)＝aT_2z ²+bT_2z+c

所以：

其中，a,b,c为常系数，与所述当前自校准探头结构的热传导模型参数值计算公式中的相同；T_2Z为当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值。

进一步地，所述通过温差算法反向计算出主测温器件的温度理论真值和第二辅助测温器件的温度理论真值公式为：

T_1Z＝T_2Z+T₁-T₂

T_3Z＝T_2Z+T₂-T₃

其中，T_1Z为主测温器件的温度理论真值，T_3Z为第二辅助测温器件的温度理论真值。

进一步地，所述主测温器件为测温传感器进行自检测和自校准的目标元器件，所述第一辅助测温器件、所述第二辅助测温器件、所述主测温器件的型号相同。

一种电子设备，包括：处理器；存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行测温传感器精度自检测和自校准方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行测温传感器精度自检测和自校准方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供测温传感器精度自检测和自校准方法，自检测方法包括以下步骤：计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，计算主测温器件的理论温度，计算主测温器件的测温偏差，检测传感器精度；自校准方法包括以下步骤：计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，计算理论真值，校准测温器件。本发明涉及一种电子设备和存储介质，用于执行测温传感器精度自检测和自校准方法。本发明实现接触式测温传感器的自检测和自校准，解决了传感器长时间使用后，温度基准漂移，测温不准确、误报警等问题。减少了人工维护和检测校准工作，使测温传感器的长期在线运行成为可能，延长了测温传感器的使用寿命，提高了测温传感器的测温精度，从而解决了一系列与测温传感器精度问题相关的被测设备系统性问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的测温传感器的自校准探头结构示意图；

图2为本发明的测温传感器精度自检测和自校准方法流程图。

图中：1、测温传感器；2、主测温器件；3、第一辅助测温器件；4、第二辅助测温器件；5、金属材料；6、非金属材料；7、固封材料；8、内部电路功能模块；9、被测物体。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

测温传感器精度自检测和自校准装置，如图1所示，包括主测温器件2、第一辅助测温器件3、第二辅助测温器件4、第一导热结构5、第二导热结构6，第一导热结构5与第二导热结构6的导热性能不同，第一辅助测温器件3、第二辅助测温器件4固定于测温传感器1的内部，主测温器件2固定于测温传感器1的外侧，主测温器件2、第一辅助测温器件3、第二辅助测温器件4是型号相同的测温元器件，分别有导线连接到测温传感器1的内部电路功能模块8，主测温器件2与第一辅助测温器件3通过第一导热结构5连接，第一辅助测温器件3与第二辅助测温器件4通过第二导热结构6连接。

当对测温传感器1做检测和校准时，必需要提供一个精度更高等级的传感器件作为参照系。而对于在线的测温传感器1来说，无法从外界获得参照系，则必须在测温传感器1内部自带一个精度更高的参照系。对于通常的测温传感器1，如果有更高精度的测温器件，一般就会应用于正常的主测温工作，而这个测温器件不能给自己作为参照系。通过两种不同物质导热系数不同，进行导热结构上的组合并设计导热关系模型算法，等效的寻找一个精度更高的参照系，提供给传感器自身进行检测和校准使用。主测温器件2作为测温传感器1进行自检测和自校准的目标元器件，主测温器件2测量被测物体9的温度，所测温度为T₁，第一辅助测温器件3所测温度为T₂，第二辅助测温器件4所测温度为T₃。

在一实施例中，第一导热结构5为导热性能较差的金属结构，优选为不锈钢材料，形状为圆柱形。第二导热结构6为导热性能较好的非金属结构，优选为导热陶瓷材料，形状为圆柱形。金属结构的半径小于非金属结构的半径，金属结构的高度小于非金属结构的高度，金属结构位于非金属结构内。优选的，还包括耐热性能较好的固封层7，包裹在第二辅助测温器件4和第二导热结构6外。优选为纤维树脂层，用于密封和包裹内部的元件和材料。

选用两种导热性能不同的第一导热结构5与第二导热结构6，这两种导热结构的形状结构确定后，其导热性能(导热系数)稳定，并且各自的导热系数与各自材料的温度具有固定函数关系。一般的近似的金属材料的导热系数与材料温度成负的线性关系；非金属(陶瓷)的导热系数与材料温度成正的线性关系。这样，在材料温度不同状态，两者导热系数的比例与材料温度是一一对应的函数关系。这个对应的函数关系，可以通过实验数据拟合得到，也可以采用经验数据列表的方式实现。拟合函数，可采用一次函数或二次函数的方式，二次函数的精度更高。这个拟合函数，就是该测温传感器1的导热特征函数。当测温传感器1制作完成之后，即可通过实验的方式，拟合确定出上述拟合函数。

自检测过程：当测温传感器1在工作状态，测温传感器1中的三个测温器件的温度关系符合这个特征函数关系，偏差在限度范围之内。经过长期运行后(例如十年之后)，如果测温传感器1中的任何一个测温器件发生的基准偏移(测温不准了)，则通过自检测方法的计算过程得到的偏差结果会偏离设定的阈值，则可以判定测温传感器1自检测的结果是超差了。

自校准过程：当测温传感器1自检测的结果是超差状态时，测温传感器1启动校准子程序。校准的方法是：相邻的两个测温器件温度相减，得到两个温度差值，这两个温差的比值，即为两种材料导热系数的比值。利用上述的特征函数，对反函数求解，得到准确的温度值，对测温传感器1做出校准。

自校准原理：只需证明上述求得的材料温度比测温器件的温度更准确即可。因为在已知条件中，三个测温器件采用相同的型号器件，则可认为三个测温器件的物理特性相同，并且三个元件随时间推移，发生精度偏差相似。这样他们之间的差值的精度高于他们自身的测温精度。所以对于特征函数计算出的对应材料温度，是比测温器件本身的精度更高。

测温传感器精度自检测和自校准方法，适用于实际工程上多数电力设备的温度监测领域。如图2所示，包括以下步骤：自检测方法，包括以下步骤：

计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，将第一辅助测温器件、第二辅助测温器件、主测温器件的实测温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得当前静态状态下的模型参数值；

当前自校准探头结构的热传导模型参数值的计算公式为：

k＝f(T₂)＝aT₂ ²+bT₂+c

其中，a,b,c为常系数；由自校准探头结构的原始测试数据拟合确定。

T₂为当前静态状态第一辅助测温器件的实测温度值。

计算主测温器件的理论温度，将上述当前静态状态下的模型参数值、实测的第一辅助测温器件的温度和第二辅助测温器件的温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得主测温器件的理论温度；

自校准探头结构的热传导模型为：

λ₁(T₁-T₂)＝λ₂(T₂-T₃)

令：

则：T₁＝k(T₂-T₃)+T₂

主测温器件的理论温度的计算公式为：

T_1LL＝k(T₂-T₃)+T₂

其中，λ₁为主测温器件到第一辅助测温器件之间的导热系数，λ₂为第一辅助测温器件到第二辅助测温器件之间的导热系数，T₁为实测的主测温器件的温度，T₂为实测的第一辅助测温器件的温度，T₃为实测的第二辅助测温器件的温度，k为模型参数，T_1LL为主测温器件的理论温度。

计算主测温器件的测温偏差，计算主测温器件的理论温度与实测的主测温器件的温度的差值，得到主测温器件的测温偏差，计算公式为：

dT₁＝T_1LL-T_1SC

其中，dT₁为主测温器件的测温偏差，T_1SC为实测的主测温器件的温度。

检测传感器精度，判断主测温器件的测温偏差是否在容许偏差范围内，，优选的，容许偏差为±2℃。即|dT₁|≤2℃，当满足这个条件时，则判定为传感器精度正常；当不满足这个条件时，判定为传感器精度超差。若判定为超差，则传感器控制系统记录主测温器件的测温偏差dT₁数值，同时启动自校准方法。

根据上述自检测过程判断为精度超差时，启动自校准方法。

自校准方法，包括以下步骤：

计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，将第一辅助测温器件、第二辅助测温器件、主测温器件的实测温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得当前静态状态下的模型参数值。当前自校准探头结构的热传导模型参数值计算公式为：

计算理论真值，根据自校准探头结构的导热特征函数进行反向求解，得到对应的当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值，通过温差算法反向计算出主测温器件的温度理论真值和第二辅助测温器件的温度理论真值。当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值计算公式为：

因：

又：k＝f(T_2z)＝aT_2z ²+bT_2z+c

所以：

其中，a,b,c为常系数，与当前自校准探头结构的热传导模型参数值计算公式中的相同；

T_2Z为当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值。

自校准探头结构的导热特征函数为：

λ₁＝f₁(T₁+T₂)，λ₂＝f₂(T₂+T₃)，

因为从已知金属和非金属材料导热系数，随温度变化的幅度很小，约比温度单位小两个数量级，所以可以简化为：

λ₁≈f₁(T₂)，λ₂≈f₂(T₂)，

所以特征函数为：

优选的，一元一次拟合函数形式为k＝f(T₂)＝aT₂+b；

优选的，一元二次拟合函数形式为k＝f(T₂)＝aT₂ ²+bT₂+c；

一元二次拟合函数比一元一次拟合函数具有更高的数据相关性，即具有更好的检测和校准精度，但一元二次拟合函数拟合计算过程比较复杂。本发明说明采用一元二次拟合函数为例。

在测温传感器制作完成后，根据一组实验数据，至少三次不同温度状态的实验数据，但为了提高函数拟合的准确性，采集20组以上的数据进行函数拟合，即可确定并固化这个特征函数。

一般的，函数拟合过程采用最小二乘法，并采用相关性系数R²对拟合函数与实验数据做出相关性的评价，要求R²≥98％。

通过温差算法反向计算出主测温器件的温度理论真值和第二辅助测温器件的温度理论真值公式为：

T_1Z＝T_2Z+T₁-T₂

T_3Z＝T_2Z+T₂-T₃

其中，T_1Z为主测温器件的温度理论真值，T_3Z为第二辅助测温器件的温度理论真值。

校准测温器件，启动校准命令，使用第一辅助测温器件的温度理论真值、主测温器件的温度理论真值和第二辅助测温器件的温度校准当前第一辅助测温器件、主测温器件、第二辅助测温器件的温度。

测温传感器的自检测和自校准过程，由测温传感器内置的控制系统完成，并且控制系统具有一定的数据记录功能，对发生校准的时间和更改的偏差值进行记录，并定期上传后台管理系统，以后管理系统对传感器进行集中管理，并对校准的结果进行考核。

一种电子设备，包括：处理器；存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行测温传感器精度自检测和自校准装置。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行测温传感器精度自检测和自校准装置。

本发明提供测温传感器精度自检测和自校准方法。所述的自检测方法，包括以下步骤：计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，计算主测温器件的理论温度，计算主测温器件的测温偏差，检测传感器精度；所述的自校准方法，包括以下步骤：计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，计算理论真值，校准测温器件。本发明涉及一种电子设备和存储介质，用于执行测温传感器精度自检测和自校准方法。本发明实现接触式测温传感器的自检测和自校准，解决了传感器长时间使用后，温度基准漂移，测温不准确、误报警等问题。减少了人工维护和检测校准工作，使测温传感器的长期在线运行成为可能，延长了测温传感器的使用寿命，提高了测温传感器的测温精度，从而解决了一系列与测温传感器精度问题相关的被测设备系统性问题。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：

所述的自检测方法，包括以下步骤：

计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，将第一辅助测温器件、第二辅助测温器件、主测温器件的实测温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得当前静态状态下的模型参数值；

计算主测温器件的理论温度，将所述当前静态状态下的模型参数值、实测的第一辅助测温器件的温度和第二辅助测温器件的温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得主测温器件的理论温度；

计算主测温器件的测温偏差，计算所述主测温器件的理论温度与实测的主测温器件的温度的差值，得到主测温器件的测温偏差；

检测传感器精度，判断所述主测温器件的测温偏差是否在容许偏差范围内，是则判定为传感器精度正常，否则判定为传感器精度超差，若判定为超差，则传感器控制系统记录所述主测温器件的测温偏差，同时启动自校准方法；

所述的自校准方法，包括以下步骤：

计算当前自校准探头结构的热传导模型参数值，将所述第一辅助测温器件、所述第二辅助测温器件、所述主测温器件的实测温度带入自校准探头结构的热传导模型中，求得当前静态状态下的模型参数值；

计算理论真值，根据自校准探头结构的导热特征函数进行反向求解，得到对应的当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值，通过温差算法反向计算出主测温器件的温度理论真值和第二辅助测温器件的温度理论真值；

校准测温器件，启动校准命令，使用所述第一辅助测温器件的温度理论真值、所述主测温器件的温度理论真值和所述第二辅助测温器件的温度校准当前第一辅助测温器件、主测温器件、第二辅助测温器件的温度。

2.如权利要求1所述的测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：

在所述的自检测方法中，

所述当前自校准探头结构的热传导模型参数值的计算公式为：

k＝f(T₂)＝aT₂ ²+bT₂+c

其中，a，b，c为常系数；由自校准探头结构的原始测试数据拟合确定；T2为当前静态状态第一辅助测温器件的实测温度值；

所述自校准探头结构的热传导模型为：

λ₁(T₁-T₂)＝λ₂(T₂-T₃)

令；

则：T₁＝k(T₂-T₃)+T₂

所述主测温器件的理论温度的计算公式为：

T_1LL＝k(T₂-T₃)+T₂

其中，λ₁为主测温器件到第一辅助测温器件之间的导热系数，λ₂为第一辅助测温器件到第二辅助测温器件之间的导热系数，T₁为实测的主测温器件的温度，T₂为实测的第一辅助测温器件的温度，T₃为实测的第二辅助测温器件的温度，k为模型参数，T_1LL为主测温器件的理论温度。

3.如权利要求2所述的测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：所述主测温器件的测温偏差计算公式为：

dT₁＝T_1LL-T_1SC

其中，dT₁为主测温器件的测温偏差，T_1SC为实测的主测温器件的温度。

4.如权利要求1所述的测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：所述容许偏差为±2℃。

5.如权利要求2所述的测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：

在所述的自校准方法中，

所述当前自校准探头结构的热传导模型参数值计算公式为：

6.如权利要求5所述的测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：

所述当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值计算公式为：

因：

又：k＝f(T_2z)＝aT_2z ²+bT_2z+c

所以：

其中，a，b，c为常系数，与所述当前自校准探头结构的热传导模型参数值计算公式中的相同；T_2Z为当前静态状态第一辅助测温器件的温度理论真值。

7.如权利要求6所述的测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：所述通过温差算法反向计算出主测温器件的温度理论真值和第二辅助测温器件的温度理论真值公式为：

T_1Z＝T_2Z+T₁-T₂

T_3Z＝T_2Z+T₂-T₃

其中，T_1Z为主测温器件的温度理论真值，T_3Z为第二辅助测温器件的温度理论真值。

8.如权利要求1所述的测温传感器精度自检测和自校准方法，其特征在于：所述主测温器件为测温传感器进行自检测和自校准的目标元器件，所述第一辅助测温器件、所述第二辅助测温器件、所述主测温器件的型号相同。

9.一种电子设备，其特征在于包括：处理器；存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行权利要求1-8任意一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。

Images