CN113820034A - 一种微波场中在线测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金测温技术领域，具体涉及一种微波场中在线测温方法。所述微波场中在线测温方法，包括：通过微波激励磁场使矿物达到饱和磁化强度Ms；再利用矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T；其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于矿物的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的，即T<Tc和T>Tc两种情况。本发明通过对微波加热过程中矿物在组分、磁强等方面的变化情况，总结规律，确定了以居里温度作为划分依据，建立矿物饱和磁化强度Ms与温度的关系，从而实现微波场中在线测温目的，使现有饱和磁力强度与温度关系理论得以具体应用。

Description

一种微波场中在线测温方法

技术领域

本发明属于冶金测温技术领域，具体涉及一种微波场中在线测温方法。

背景技术

微波加热技术己发展成为冶金领域的一种新加热技术，在黑色、有色金属的火法冶金过程中都有很广阔的应用前景。但是微波元件在工作过程中会产生大量微波射线，造成加热过程中工作区域内的温度难以被有效检测，给工作过程中的自动控制带来不便。

目前已有的测温方法主要分为接触式和非接触式。接触式测温中以热电偶测温为主，其原理是利用两种不同的导体组成闭合电路，在不同温度环境下产生电动势，将温度信号转变为电信号，当热电偶测温端与被测物体达到温度平衡时，可测得较精确的温度；但在微波场中，磁场对热电偶电动势有很大影响，导致测温结果不准确。

非接触式测温有红外辐射测温和磁纳米粒子测温等，其中红外辐射测温根据红外辐射特性，通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，能够快速准确地测定被测物体表面温度；但微波加热是一种内部加热的方式，红外测温无法准确的测得加热过程中的准确温度。磁纳米粒子测温根据物质磁化强度与温度的特定关系实现测温，具有快速、高精度和便捷的特点，如CN109060163A；但该技术需引入磁纳米粒子和激励磁场，对测温环境要求严格，不能有其他磁场存在，而微波场中伴随有电磁场，无法使用该法测温。

CN104132736A公开的一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化的测量方法，该方法需借助外加直流激励磁场，并利用铁磁性粒子实现在线测温。受此启发，本案提出基于微波场的、针对微波加热过程的在线测温方法的构想，但现有技术还未见基于微波激励磁场下矿物饱和磁化强度与温度之间关系作用的相关研究。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种微波场中在线测温方法。该方法基于矿物自身的铁磁性及微波激励磁场，在无需添加磁纳米粒子的前提下，实现了微波加热过程中在线测温目的，具有“快速、准确和便捷”的特点。

所述微波场中在线测温方法，包括：通过微波激励磁场使矿物达到饱和磁化强度Ms；再利用矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T；

其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于矿物的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的，即T<Tc和T>Tc两种情况。

本发明通过对微波加热过程中矿物在组分、磁强等方面的变化情况，总结规律，确定了以居里温度作为划分依据，建立矿物饱和磁化强度Ms与温度的关系，从而实现微波场中在线测温目的，使现有饱和磁力强度与温度关系理论得以具体应用。

进一步地，所述物料饱和磁化强度Ms与温度的关系具体如下。

对于T<Tc，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系具体为：

其中，U为输出电压；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为霍尔元件的通入电流；μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；

P为微波源输出功率；P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；μ_a为波导中的绝对磁导率；a、b、c为微波炉炉体的长、宽、厚度；

N为原子个数；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间；μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米；

D为自旋波刚度，抛物型马氏色散关系中的系数；

p为物质形状及性质参数系数；通常p＝5/2，但p(Fe)＝4.0。

进一步地，所述公式(14)通过下述方法获得：

①确定微波源输出功率P：

计算T＝0k时矿物的饱和磁化强度M₀，其中微波磁场强度满足H＞M₀，从而确定微波源输出功率P；

微波场中磁场储能E为：

式中，P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；a、b、c为炉体的长、宽、厚度；μ_a为波导中的绝对磁导率；

式中，M₀-为T＝0K时饱和磁化强度，即单位体积内所含N个原子的磁矩都整齐地排列在相同方向时的磁化强度；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间；μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；

联立式(1)至(3)，得当微波源输出功率P应满足：

②确定饱和磁化强度Ms：

矿物经过微波激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测其磁场强度，产生的霍尔电压经仪器放大器信号放大后，由信号接收器收集，再连入计算机，得到输出电压U，通过计算得出饱和磁化强度Ms；

根据霍尔效应，元件内电子达到动态平衡，电场力大小等于洛伦兹力，可得：

βU_H＝U (6)

B＝μ₀(H+M_s) (7)

其中，U_H为霍尔电压；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为霍尔元件的通入电流；B为磁场强度；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；H为激励磁场强度；M_s为矿物饱和磁化强度；

其中，霍尔元件为长方体，设长宽厚分别为x、y、d，通入电流为I_s，霍尔元件的x、y面与微波产生的均匀激励磁场垂直；

其中，H为微波磁场强度，在功率不变情况下为定值，联立式(5)至(7)得到矿物的饱和磁化强度M_s的表达式：

③根据矿物的饱和磁化强度与温度的关系，计算出矿物的实际温度：

当矿物的实际温度超过居里温度时，它将从铁磁体转化为顺磁体：

式中，T_c为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)；γ-分子场系数，代表铁磁物质的特征；

确定温度T与饱和磁化强度M_s的关系式如下：

当温度T＜T_c时，温度T与饱和磁化强度M_s的关系式满足式(10)：

式中，s、p为物质形状及性质参数系数，材料确定后，该值为常数；

通常情况下，p为2.5，但p(Fe)＝4；

D为自旋波刚度，抛物型马氏色散关系中的系数；

联立式(3)、(8)、(10)、(11)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(14)。

对于T＞T_c，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系具体为：

其中，U为输出电压；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为霍尔元件的通入电流；μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；

P为微波源输出功率；P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；

μ_a为波导中的绝对磁导率；

a、b、c为微波炉炉体的长、宽、厚度，具体数值根据设备说明可得到；

C为居里常数。

进一步地，所述公式(15)通过下述方法获得：

矿物转变为顺磁性物质，其温度T与饱和磁化强度M_s服从居里-外斯定律，如式(12)：

χ_顺为顺磁性物质的磁导率，C为居里常数；

联立式(2)、(8)、(12)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(15)。

作为本发明的具体实施方式之一，所述微波场中在线测温方法，包括如下步骤：

S1、矿物置入微波加热区，检测微波设备对应此种矿物的反射功率P'；

S2、设置T＝0K，采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到饱和磁化强度；

S3、根据输出电压信号实时计算不同温度下矿物的饱和磁化强度Ms；

S4、计算矿物的居里温度Tc；判断矿物在微波设备中待检测温度范围，并基于矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T；

若T<Tc时，则采用公式(14)实时计算矿物的实际温度T；

若T>Tc时，则采用公式(15)实时计算矿物的实际温度T。

本发明的有益效果如下：

本发明通过对微波加热过程中矿物在组分、磁化强度等方面的变化情况，总结规律，确定了以居里温度作为划分依据，建立矿物饱和磁化强度Ms与温度的关系，从而实现微波场中在线测温目的，使现有饱和磁力强度与温度关系理论得以具体应用。

附图说明

图1为本发明所述的在线测温方法的工艺流程图。

图2为本发明所述的在线测温方法的具体实施示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

现有研究表明，磁性物质的磁化强度与温度之间存在一种固有关系，本案即对此进行深入研究，以期发现并确立这一关系。

冶炼(如炼铁)过程中，原料通常是经过磁选步骤的，因此原料均为具有铁磁性的矿物。我们通过研究发现，当铁磁性物质的实际温度T小于其居里温度Tc时，在铁磁性物质被饱和磁化后，其自发饱和磁化强度Ms与其实际温度T是具有一一对应关系；而当铁磁性物质的实际温度T大于其居里温度Tc时，铁磁性物质将转变为顺磁性物质，此时服从居里-外斯定律，其磁化率χ_顺与其实际温度T的倒数成正比。

微波是指频率为300MHz～3000GHz的电磁波，电磁场与电磁波是共生的。在一定的微波功率条件下，能够提供足够的激励磁场，使得铁磁性物质达到饱和磁化状态。基于此，我们提出在微波加热过程中可利用矿物自身的铁磁性和微波中的电磁场来实现微波加热过程中的在线测温。

具体内容如下：

①确定微波源输出功率P：首先计算矿物的饱和磁化强度M₀(T＝0k时的值)，其中微波磁场强度满足H＞M₀，从而确定微波源输出功率P；

微波场中磁场储能E为：

式中，P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；a、b、c为炉体的长、宽、厚度；μ_a为波导中的绝对磁导率。

式中，M₀为T＝0K时饱和磁化强度，即单位体积内所含N个原子的磁矩都整齐地排列在相同方向时的磁化强度；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间；μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)。

联立式(1)至(3)可得当微波源输出功率P应满足：

②确定饱和磁化强度Ms：矿物经过微波激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测其磁场强度B，产生霍尔电压U_H，经仪器放大器信号放大后，放大系数为β，由信号接收器收集，再连入计算机，得到输出电压U，通过计算得出饱和磁化强度Ms。

霍尔元件为长方体，设长宽厚分别为x、y、d，通入电流为I_s，根据霍尔效应，元件内电子达到动态平衡，电场力大小等于洛伦兹力，可得：

βU_H＝U (6)

B＝μ₀(H+M_s) (7)

其中，k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；H为激励磁场强度；M_s为矿物饱和磁化强度。

其中，霍尔元件的x、y面与微波产生的均匀激励磁场垂直。

其中，H为微波磁场强度，在功率不变情况下为定值，联立式(5)至(7)得到矿物的饱和磁化强度M_s的表达式：

③根据矿物的饱和磁化强度与温度的关系，计算出矿物的实际温度。

铁磁性物质加热过程中，存在一个重要的物理量居里温度T_c，当铁磁性物质温度超过居里温度时，它将从铁磁体转化为顺磁体：

式中，T_c为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)；k_B是玻尔兹曼常数，为1.381×10^-23焦耳/度；γ-分子场系数，代表铁磁物质的特征。

不同状态下，矿物的性质也不同，矿物呈铁磁性状态时，磁化率较大(数值为10¹-10⁶量级)，即M_s较大；物质呈顺磁性状态时，磁化率较低(数值为10^-3-10^-6量级)，即M_s很小，其宏观表现在于收集的输出电压信号突然变得很小)；通过分析，确定温度T与饱和磁化强度M_s的关系式如下：

一、当温度T＜T_c时，铁磁性物质(即矿物)在微波场中达到饱和磁化强度状态后，其温度T与饱和磁化强度M_s的关系式满足式(10)：

式中，s、p为物质形状及性质参数系数，材料确定后，该值为常数。通常情况下，p为2.5，但p(Fe)＝4；0＜s＜5/2；

D为自旋波刚度，抛物型马氏色散关系中的系数。

联立式(3)、(8)、(10)、(11)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(14)：

二、当温度T＞T_c时，铁磁性物质转变为顺磁性物质，其温度T与饱和磁化强度M_s服从居里-外斯定律，如式(12)：

χ_顺为顺磁性物质的磁导率，C为居里常数。

联立式(2)、(8)、(12)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(15)：

图1为本发明所述的在线测温方法的工艺流程图。

图2为本发明所述的在线测温方法的具体实施示意图。

实施例1

下面本案以磁铁矿干燥过程为例，说明上述在线测温方法的可行性。

具体控制过程如下：

S1、矿物放入微波炉后，检测微波炉对应此种矿物的反射功率P'；

S2、设置T＝0K，通过测量铁磁物质特征量γ和原子总角量子数J，计算矿物的饱和磁化强度M₀；

S3、矿物置于微波加热区，根据输出电压信号实时计算不同温度下的矿物饱和磁化强度Ms；

S4、计算矿物的居里温度Tc；

判断矿物在微波炉中的待检测温度范围，如果温度范围均在T<Tc时，则采用公式(14)实时计算矿物温度T；

如果温度范围均在T>Tc时，则采用公式(15)实时计算矿物温度T。

其中，磁铁矿的主要成分为Fe₃O₄，根据经验值，Fe₃O₄的居里温度T_c＝858K，M₀＝92emu/g，干燥过程温度T＜150℃＜T_c，矿物的实际温度与输出电压信号的关系式按式(14)计算得到：

测试结果显示，T为120.1℃。

而采用目前现有接触式测温技术测得温度为121℃，由此可证明本发明所述测温方法具有可行性且准确度高。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种微波场中在线测温方法，其特征在于，通过微波激励磁场使矿物达到饱和磁化强度Ms；再利用矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T；

其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于矿物的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的。

2.根据权利要求1所述的微波场中在线测温方法，其特征在于，对于T<Tc，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系具体为：

其中，U为输出电压；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为霍尔元件的通入电流；μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；

P为微波源输出功率；P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；μ_a为波导中的绝对磁导率；a、b、c为微波炉炉体的长、宽、厚度；

N为原子个数；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间；μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米；

D为自旋波刚度，抛物型马氏色散关系中的系数；

p＝5/2，但p(Fe)＝4.0。

3.根据权利要求2所述的微波场中在线测温方法，其特征在于，所述公式(14)通过下述方法获得：

①确定微波源输出功率P：

计算T＝0k时矿物的饱和磁化强度M₀，其中微波磁场强度满足H＞M₀，从而确定微波源输出功率P；

微波场中磁场储能E为：

式中，P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；a、b、c为炉体的长、宽、厚度；μ_a为波导中的绝对磁导率；

式中，M₀-为T＝0K时饱和磁化强度，即单位体积内所含N个原子的磁矩都整齐地排列在相同方向时的磁化强度；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间；μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；

联立式(1)至(3)，得当微波源输出功率P应满足：

②确定饱和磁化强度Ms：

矿物经过微波激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测其磁场强度，产生的霍尔电压经仪器放大器信号放大后，由信号接收器收集，再连入计算机，得到输出电压U，通过计算得出饱和磁化强度Ms；

根据霍尔效应，元件内电子达到动态平衡，电场力大小等于洛伦兹力，可得：

βU_H＝U (6)

B＝μ₀(H+M_s) (7)

其中，U_H为霍尔电压；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为霍尔元件的通入电流；B为磁场强度；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；H为激励磁场强度；M_s为矿物饱和磁化强度；

其中，霍尔元件为长方体，设长宽厚分别为x、y、d，通入电流为I_s，霍尔元件的x、y面与微波产生的均匀激励磁场垂直；

其中，H为微波磁场强度，在功率不变情况下为定值，联立式(5)至(7)得到矿物的饱和磁化强度M_s的表达式：

③根据矿物的饱和磁化强度与温度的关系，计算出矿物的实际温度：

当矿物的实际温度超过居里温度时，它将从铁磁体转化为顺磁体：

式中，T_c为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)；γ-分子场系数，代表铁磁物质的特征；

确定温度T与饱和磁化强度M_s的关系式如下：

当温度T＜T_c时，温度T与饱和磁化强度M_s的关系式满足式(10)：

式中，s、p为物质形状及性质参数系数，材料确定后，该值为常数；

通常情况下，p为2.5，但p(Fe)＝4；

D为自旋波刚度，抛物型马氏色散关系中的系数；

联立式(3)、(8)、(10)、(11)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(14)。

4.根据权利要求1所述的微波场中在线测温方法，其特征在于，对于T＞T_c，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系具体为：

其中，U为输出电压；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为霍尔元件的通入电流；μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；

P为微波源输出功率；P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；

μ_a为波导中的绝对磁导率；a、b、c为微波炉炉体的长、宽、厚度；

C为居里常数。

5.根据权利要求4所述的微波场中在线测温方法，其特征在于，所述公式(15)通过下述方法获得：

矿物转变为顺磁性物质，其温度T与饱和磁化强度M_s服从居里-外斯定律，如式(12)：

χ_顺为顺磁性物质的磁导率，C为居里常数；

联立式(2)、(8)、(12)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(15)。

6.根据权利要求1所述的微波场中在线测温方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、矿物置入微波加热区，检测微波设备对应此种矿物的反射功率P'；

S2、设置T＝0K，采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到饱和磁化强度；

S3、根据输出电压信号实时计算不同温度下矿物的饱和磁化强度Ms；

S4、计算矿物的居里温度Tc；判断矿物在微波设备中待检测温度范围，并基于矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T；

若T<Tc时，则采用公式(14)实时计算矿物的实际温度T；

若T>Tc时，则采用公式(15)实时计算矿物的实际温度T。

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