CN113310602A - 一种针对强磁场环境的测温校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种针对强磁场环境的测温校准方法，包括对测温元件进行标定；将测温元件设置于控温炉体模块中，并将控温炉体模块放置于强磁场设备中，然后向测温元件通过恒定的电流；调节强磁场设备使磁场强度为0，将控温炉体模块加热或冷却至多个不同的指定温度作为参考温度；针对每个指定温度，调节强磁场设备以产生不同强度的磁场，记录磁场变化过程中测温元件的温度信号的变化情况；根据参考温度与不同磁场环境下测温元件的测温信号的变化情况，拟合得到温度修正系数以及温度和磁场强度的关系式，实现对强磁场环境中测温信号的修正。
Description
技术领域
本发明属于温度测量校准技术领域，具体涉及一种针对强磁场环境的测温校准方法及 方法。
背景技术
对金属的凝固成形过程进行控制是获得高性能优质铸件的关键。对凝固过程进行控 制，一方面是要获得细小晶粒、组织致密、性能优良的产品；另一方面是综合利用各种手段 开发新的凝固成形工艺，以满足不同情况下的特殊要求。在凝固过程中施加外场，如压力 场、磁场等，得到预定的凝固组织是凝固过程控制的基本途径之一。
磁场是与温度场、压力场一样重要的物理参数，强磁场作为一种极端条件的特殊电磁 场形态，能够将高强度的能量无接触的传递到物质的原子尺度，改变原子排列、匹配和迁移 等行为，从而对材料的组织和性能产生影响。在其作用下，物质的性质会发生非常规变化， 同时物质的热力学和运动行为在宏观、介观以及微观尺度上都有可能发生改变。由于晶体晶 格结构的不同，有些晶体在不同晶向上会表现出不同的磁化率，即具有磁晶各向异性。这 样，磁场中晶体在不同晶向间也会由于磁化而产生自由能的差异，即磁各向异性能。磁各向 异性能通过对晶体产生磁力矩的方式试图使晶粒发生旋转，从而使系统处于能量最低状态。 这就为利用强磁场和晶体的磁各向异性制备具有取向(织构化)的功能材料提供了可能。因 此，准确的温度测量结果是材料的制备或者磁环境下材料特性的测量的基础。
然而，在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现 象称为磁致电阻效应，而对于热电偶、铂电阻温度计等大部分测量元器件，都是利用电信号 来获取材料的温度信号，从而使得在强磁场环境下，由于磁致电阻效应的存在致使测温热电 偶和热电阻在强磁场环境中进行温度测量过程中与实际温度会产生偏差。
由此可见，目前还没有一种针对不同的强磁场环境对热电偶和热电阻等测温元件的温 度测量进行修正的方法。
发明内容
发明要解决的问题：
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种针对强磁场环境的测温校准方法，该方法能在强 磁场强度环境中对不同的测温元件的测温信号进行校准。
解决问题的技术手段：
为解决上述问题，本发明提供一种针对强磁场环境的测温校准方法，包括以下步骤：
1)对测温元件进行标定；
2)将测温元件设置于控温炉体模块中，并将所述控温炉体模块放置于强磁场设备中，然后 向所述测温元件通过恒定的电流；
3)调节所述强磁场设备使磁场强度为0，将所述控温炉体模块加热或冷却至多个不同的指 定温度作为参考温度；
4)针对每个所述指定温度，调节所述强磁场设备以产生不同强度的磁场，记录磁场变化过 程中所述测温元件的温度信号的变化情况；
5)根据参考温度与不同磁场环境下所述测温元件的测温信号的变化情况，拟合得到温度修 正系数以及温度和磁场强度的关系式，实现对强磁场环境中测温信号的修正。
也可以是，本发明中，所述步骤2)中，在将所述控温炉体模块放置于强磁场设备中时，还通过调节使所述测温元件处于所述强磁场设备产生的强磁场的中心位置。该中心位置 为强磁场装置磁场强度最大点，能确保测温元件准确地处于规定强度的强磁场中。
也可以是，本发明中，所述步骤4)中，在每个所述指定温度进入稳态后，调节所述强磁场设备使磁场强度由0T逐步升至5T，得到所述测温元件的温度信号随磁场强度的变化曲线。
也可以是，本发明中，所述测温元件为热电偶或铂电阻温度计。
也可以是，本发明中，所述控温炉体模块包括高温模块和低温模块。由此能实现对测 温元件进行加热或是冷却。
也可以是，本发明中，所述高温模块包括：壳体；支持于所述壳体内部的加热模块；设置于所述加热模块上的样品台；以及放置于所述样品台底部的测温元件。
也可以是，本发明中，所述高温模块的内部通有保护气体；所述样品台由高导热材料 构成。
也可以是，本发明中，所述低温模块包括：壳体；从所述壳体顶部向下方延伸的液氮 管路；包围所述液氮管路的末端的液氮腔；从所述液氮腔向下方延伸的冷指；设置于所述冷 指的末端，内部安装有加热电阻丝的样品支架；以及设置于所述样品支架上的测温元件。
也可以是，本发明中，所述低温模块的所述壳体上还设置有用于将所述壳体内部抽至 真空环境的抽真空口；所述冷指和所述样品支架由高导热材料构成。
发明效果：
本发明能针对不同磁场强度下的测温元件的温度测量结果进行修正，为强磁场环境材料的制 备工艺优化及控制提供了精确的温度数据支持。
附图说明
图1是根据本发明一实施形态的针对强磁场环境的测温校准方法的流程图；
图2是针对强磁场环境的测温校准方法中使用的控温炉体模块的结构示意图，(a)是控温炉 体模块中的高温模块的结构示意图，(b)是控温炉体模块中的低温模块的结构示意图；
图3是示出在指定温度为-190℃时测温元件的温度信号随磁场强度的变化曲线；
符号说明：
1、测温元件；10、20、壳体；11、支撑杆；12、加热模块；13、样品台；21、液氮管路；
22、液氮腔；23、冷指；24、样品支架；25、抽真空口。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用 于说明本发明，而非限制本发明。
在此公开一种针对强磁场环境的测温校准方法，该方法能针对测温元件在不同磁场强 度下的温度测量结果进行校准修正，为强磁场环境材料的制备工艺优化及控制提供了精确的 温度数据支持。
图1是根据本发明一实施形态的针对强磁场环境的测温校准方法的流程图。以下参照 图1详细说明本方法的具体步骤。
1)在测试前分别对测温元件进行常温下的标定，由此能确保测温元件1自身的准确 性。测温元件可以是热电偶或是热电阻，为了测试不同热电偶在不同磁场下温度信号的采集 情况，本发明选用了铠装E型热电偶、K型热电偶和Pt100铂电阻作为测温元件。表1示出 了E型热电偶、K型热电偶和Pt100的各项参数。
表1
| 测温元器件 | 组成 | 温度范围 |
| E型热电偶 | 镍铬-铜镍 | -200～900℃ |
| K型热电偶 | 镍铬-镍 | -270～1372℃ |
| PT100 | 铂 | -200～850℃ |
2)在对测温元件1进行标定后，将测温元件1设置于控温炉体模块中，并将控温炉体模块放置于强磁场设备中。具体而言，本发明所采用的装置包括用于设置测温元件1的控温炉体模块以及用于产生强磁场环境的强磁场设备。
控温炉体模块包括高温模块和低温模块，分别用于对测温元件1进行加热或是冷却， 使测温元件处于规定的指定温度。图2是控温炉体模块的结构示意图，(a)是控温炉体模块 中的高温模块的结构示意图，(b)是控温炉体模块中的低温模块的结构示意图。
如图2中(a)所示，高温模块包括壳体10、加热模块12、样品台13。壳体10可以 由不锈钢材料构成。壳体10内部中空，在其底部通过支撑杆11设置有加热模块12，该加 热模块12可以是电阻丝等加热元件。加热模块12的顶部设置有样品台13，样品台13整体 采用例如金属银等高导热材料构成。在该样品台13的底部、即样品台13与加热模块12之 间安装有测温元件1，用于测量样品台13的实时温度情况，该测温元件1上通过有恒定的 电流。本实施形态中，高温模块的最高工作温度可以是750℃，且在测试时壳体10中通入 例如Ar等保护气体。由此，能够在保护气体氛围下通过加热模块12将测温元件1加热至规 定的指定温度。
又如图2中(b)所示，低温模块包括壳体20，在该壳体20的顶部开设有液氮进 口，液氮管路21通过液氮进口从壳体20的顶部向下方延伸至壳体20的内部。该液氮管路 21的末端由液氮腔22包围，通过顶部灌注的液氮储存于该液氮腔22内。在液氮腔22的底 部设置有冷指23，该冷指23可以由例如无氧铜或镀金黄铜等导热性良好的材料构成，其一 端插入液氮腔22内部，另一端从液氮腔22向下方延伸。冷指23在末端与同样由高导热材 料构成的样品支架24相连，样品支架24内部有加热电阻丝，在炉体内通入液氮后，通过该 加热电阻丝进行加热，由此调节低温模块的样品支架24温度。测温元件1固定于该样品支 架24上，用于测量样品支架24的实时温度情况，该测温元件1上通过有恒定的电流。此 外，低温模块在壳体20的侧壁上还开设有抽真空口25。由此，能够通过该抽真空口25将 壳体20内部抽至真空，在真空氛围下向炉内通入液氮并由样品支架24内的加热电阻丝进行 调温，由此能将冷却测温元件1冷却至期望的指定温度。
本发明中，在将控温炉体模块(高温模块或低温模块)放置于强磁场设备中时，还通 过调节使该测温元件处于强磁场设备产生的强磁场的中心位置，该中心位置为强磁场装置磁 场强度最大点，由此能确保测温元件准确地处于规定强度的强磁场中。
3)调节强磁场设备使磁场强度为0，将控温炉体模块加热或冷却至多个不同的指定 温度，并将该指定温度作为参考温度。表2示出了五种不同的指定温度，因理解表2仅为示 例，本发明中的指定温度不限于表2。
表2
由此，采用如图2中(a)、(b)所示的高温模块或低温模块，在测温元件1上通过在恒定电流情况下，测得的无磁场环境中不同加热条件下的温度信号。具体地，待控温炉体模块中最终阶段变温速率约为0.01℃/min，已趋近于零时，可以认为相关实验已进入稳态，与初始温度条件无关，磁场变化时温度信号结果只与磁场变化有关。
4)接着，针对每个指定温度，调节强磁场设备以产生不同强度的磁场，记录磁场变化过程中测温元件1的温度信号的变化情况。换言之，在测温元件1上通过在恒定电流情况下，待测温元件1进入稳态后，通过改变磁场强度，研究其温度信号的变化情况。本实施形态中，针对表2中的不同实验方案，以E型热电偶为例，在温度进入稳态后，调节强磁场设 备磁场强度由0T逐步升至5T，得到温度随磁场强度的变化曲线。例如，图3是示出在指定 温度为-190℃时、即上述方案4中测温元件1的温度信号随磁场强度的变化曲线，其中实线 为测温元件1的温度信号随时间变化曲线，虚线为磁场强度随时间变化曲线。如图3所示， 当指定温度为-190℃时，随着磁场强度由由0T逐步升至5T，测温元件1的温度信号也随着 磁场强度在-191.6℃至-191.4℃之间变化，换言之此时磁场引起温差为0.2℃。通过对每个方案进行实验，测得磁场引起的最大温差如表3所示。
表3
5)根据参考温度与不同磁场环境下所述测温元件的测温信号的变化情况，拟合得到 温度修正系数以及温度和磁场强度的关系式，实现对强磁场环境中测温信号的修正。
具体地，基于上述实验装置，分别对0T、3T、4T和5T磁场强度范围内，不同加热 条件下的温度信号测量情况进行了实验研究。根据实验数据，拟合出温度偏差与温度和磁场强度的拟合公式，如式(1)所示：
ΔT＝A+B×T+C×T2+D×T3+E×T4+F×T5；
其中ΔT为温度修正值，T为温度，A～F为不同测温元器件的修正系数，不同磁场强度下的 修正系数结果如表4所示。
表4
采用上述拟合公式，对不同磁场情况下温度情况进行计算，计算结果偏差如表5所示，修正后平均偏差为1.03％。
表5
根据本发明，能够针对不同磁场强度对测温元件的温度测量结果进行修正，为强磁场 环境材料的制备工艺优化及控制提供了精确的温度数据支持。
以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明， 应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在 不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是 用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要 求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。 凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对测温元件进行标定；
2）将测温元件设置于控温炉体模块中，并将所述控温炉体模块放置于强磁场设备中，然后向所述测温元件通过恒定的电流；
3）调节所述强磁场设备使磁场强度为0，将所述控温炉体模块加热或冷却至多个不同的指定温度作为参考温度；
4）针对每个所述指定温度，调节所述强磁场设备以产生不同强度的磁场，记录磁场变化过程中所述测温元件的温度信号的变化情况；
5）根据参考温度与不同磁场环境下所述测温元件的测温信号的变化情况，拟合得到温度修正系数以及温度和磁场强度的关系式，实现对强磁场环境中测温信号的修正。
2.根据权利要求1所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述步骤2）中，在将所述控温炉体模块放置于强磁场设备中时，还通过调节使所述测温元件处于所述强磁场设备产生的强磁场的中心位置。
3.根据权利要求1所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述步骤4）中，在，每个所述指定温度进入稳态后，调节所述强磁场设备使磁场强度由0T逐步升至5T，得到所述测温元件的温度信号随磁场强度的变化曲线。
4.根据权利要求1所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述测温元件为热电偶或铂电阻温度计。
5.根据权利要求2中任一项所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述控温炉体模块包括高温模块和低温模块。
6.根据权利要求5所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述高温模块包括：
壳体；
支持于所述壳体内部的加热模块；
设置于所述加热模块上的样品台；以及
放置于所述样品台底部的测温元件。
7.根据权利要求6所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述高温模块的内部通有保护气体；
所述样品台由高导热材料构成。
8.根据权利要求5所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述低温模块包括：
壳体；
从所述壳体顶部向下方延伸的液氮管路；
包围所述液氮管路的末端的液氮腔；
从所述液氮腔向下方延伸的冷指；
设置于所述冷指的末端，内部安装有加热电阻丝的样品支架；以及
设置于所述样品支架上的测温元件。
9.根据权利要求8中任一项所述的针对强磁场环境的测温校准方法，其特征在于，
所述低温模块的所述壳体上还设置有用于将所述壳体内部抽至真空环境的抽真空口；
所述冷指和所述样品支架由高导热材料构成。
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