CN114910184A - 一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，属于电子烟温度检测技术领域。热电偶安装在电子烟具壳体上部腔体的底端，热电偶的热电偶热端引出线通过导线连接到双金属温控变阻器电阻输入端，热电偶冷端引出线通过热电偶冷端补偿导线与双金属温控变阻器内的金属丝接触，双金属温控变阻器的电阻输入端同时连接控制器的IN端，双金属温控变阻器的电阻输出端同时连接控制器的OUT端。双金属温控变阻器安装在电子烟具壳体下部腔体的底部。本发明将双金属丝制成立式或平面螺旋状，通过双金属丝与热电偶冷端进行热传递，双金属受热产生形变带动变阻器滑片转动，进而改变变阻器阻值，对热电偶冷端温度升高造成的影响进行补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，属于电子烟温度检测技术领域。
背景技术
电子烟在使用过程中需要快速给烟弹进行加热且温度恒定到350℃以上，使烟液迅速雾化。由于烟弹加热片的温度控制会对电子烟烟弹雾化情况产生影响，进而影响电子烟的抽吸感受，所以要对电子烟稳定实时测温及进一步控温。由于电子烟具有体积小、重量轻、便携，低功耗的特点，对电子烟烟弹加热片进行测温，常规测温元件不再适用，如热电阻具有反应慢，热敏传感器测温稳定性差等缺点。
发明内容
本发明提出一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，用于解决电子烟采用热电偶测温时热电偶冷端温度不为0℃，且波动变化，导致热电偶测温存在误差的问题。
热电偶测温具有结构简单，体积小，动态性能好，精确度较高，测温范围宽，温度信号便于传递与处理的特点，所以本装置电子烟采用热电偶进行测温。
本装置基于热电偶测温，热电偶测温原理为两种不同金属导体形成闭合回路，利用其在不同温度中产生的塞贝克效应进行测温，导体两端产生的温差越大，产生的热电势也越大。热电势由接触电势和温差电势组成。接触电势是两种性质不同的导体相接触时，电子由密度大的导体向密度小的扩散，达到动态平衡时产生的电动势。温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的电动势。
导体AB冷端温度为t，热端温度为t0，导体AB两端会产生热电势EAB(t，t0)，同一导体产生的温差电势为eA(t，t0)、eB(t，t0)，公式如下：
不同导体产生的接触电势：eAB(t)、eAB(t0),公式如下：
e为单位电荷，K为玻尔兹曼常数,δA和δB分别为导体A和B的汤姆逊系数，NA、NB—分别为导体A、B在接点温度为T时的电子密度，T为两导体接触处的热力学温度。
热电偶测温的热电势为接触电势和温差电势之和，
据上式可知，热电偶金属材料一定时，热电偶的热电势EAB(t，t0)为温度t和t0的关于函数fAB(T，0)差值。当导体一端温度t0一定时，fAB(t0,0)为一固定常数C，EAB(t，t0)＝fAB(t,0)-C，当C＝0时，热电偶的热电势只与热端温度t有关。
为使热电偶的热电势只与热端温度有关，需要让热电偶冷端为0℃，冷端温度改变会导致测温存在误差。在实际电子烟测温时，存在以下几因数会影响冷端温度：电子烟未使用时，热电偶的冷端受到环境温度的影响，初始温度一般与环境温度一致，并不为0℃；电子烟开启后，加热片间歇性加热，抽吸电子烟时，口腔温度对烟具存在间断性热传导，冷端温度升高且波动变化。对于实际使用中，冷端温度偏离0℃且波动的情况，必须对冷端温度的变化所引起的测量误差予以补偿。进行冷端温度补偿的方法有以下几种：1.采用补偿导线法，延长冷端补偿导线，但是电子烟空间较小，热电偶冷热端间距过小，并不能达到显著降低冷端温度的效果；2、采用冷端恒温法，将冷端放在冰点槽或是恒温箱中，电子烟具有便携、随时使用的特性，此法并不适用；3、采用计算修正法，将测得的热电势值加上冷端温度对应的电势值，即可得到实际温度电势值，当电子烟开始使用时，由于使用环境温度未知，且用户抽吸频率的不同，电子烟烟具冷端温度升高波动且未知，所以此法不适用4、利用模拟补偿法，通过设计模拟电路，对冷端温度变化的产生的电势差进行动态检测及补偿，使得热电偶测温装置能较准确的测出加热片的实际温度，进而实现电子烟加热温度的精准控制。
本装置冷端温度补偿采用模拟补偿法，假设实际热电偶的热电势Et可等效为电源E和电源内阻R′，将热电偶等效为电阻R热，根据基尔霍夫电流定律可知由等效电源E经内阻R′流出的电流为I。假设热电偶AB冷端温度为t，热端温度为t0，由热电偶中间温度定律可得：热电势Et＝fAB(t0，0)-fAB(t，0)，冷端温度t升高，则fAB(t，0)增大，热电势Et减小，导致流过热电偶的电流I2减小。为对减小的电流值ΔI2进行补偿，本发明采用模拟补偿法进行补偿，具体方法是在热电偶两端并联上一个双金属温控变阻器R，流过其电流为I1。电路中电流I等于流过双金属温度变阻器R的电流I1和流过热电偶R热的电流I2之和，公式为：I＝I1+I2。当热电偶冷端温度由t变为t1，温度变化量为Δt＝t1-t，该双金属温度变阻器R的阻值随温度变化量Δt变化，该阻值变化导致的电流变化为ΔI1。此时电路中电流I＝(I2-ΔI2)+(I1+ΔI1)，当ΔI1＝ΔI2，则电路中电流I恒定不变，从而达到热电偶冷端温度补偿的目的。
为使ΔI1＝ΔI2，达到电流的动态补偿，需要让该双金属温控变阻器阻值R随温度变化量Δt线性变化，制该变阻器的理想材料为纯金属。为了使该并联的电阻材料不仅为纯金属，其他电阻材料也可应用在热电偶测温的冷端补偿中，本发明设计了双金属温控变阻器，利用双金属丝受热产生形变，带动双金属温度变阻器滑片在其他种电阻材料的环状电阻上移动，通过改变两接线端子之间的电阻长度，使得变阻器阻值随温度线性变化，调节流过双金属温度变阻器的电流变化量ΔI1，对流过热电偶的电流减小值ΔI2进行补偿，使得电路中总电流I不变，实现对热电偶冷端温度升高产生误差的电路补偿。
为解决在电子烟使用热电偶测温时，热电偶冷端温度不为0℃且变化，对热电偶测温造成误差的影响，本发明提出了采用模拟补偿法，在热电偶两端并联上一个双金属温控变阻器R，利用双金属对冷端温度进行传导，并通过立式螺旋双金属丝77或平面螺旋双金属丝88受热产生形变，带动金属变阻器滑片72或可变电阻滑片83移动，改变双金属温控变阻器R的阻值，进而改变流过变阻器的电流大小，对热电偶冷端温度升高导致流过它的电流减小值进行补偿，达到冷端温度补偿的目的。实现使用热电偶对烟具加热片的准确测温，进而实时控制烟具加热温度，控制烟液雾化情况，保证用户抽吸感受，提高烟具品质，达到烟具批量化生产的目的。
本发明采用的技术方案是：一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：包括感应励磁线圈1、烟弹加热片2、烟弹3、热电偶4、控制器5、电池6、热电偶冷端补偿导线7、双金属温控变阻器8、电子烟具壳体9，热电偶热端引出线20，热电偶冷端引出线21；
感应励磁线圈1缠绕在电子烟具壳体9上部腔体上，加热片2固定在烟弹3外圈并对烟弹3进行加热，热电偶4安装在电子烟具壳体9上部腔体的底端，热电偶4的热电偶热端引出线20通过导线连接到双金属温控变阻器8电阻输入端，热电偶冷端引出线21通过热电偶冷端补偿导线7与双金属温控变阻器8内的立式或平面螺旋双金属丝接触，双金属温控变阻器8的电阻输入端同时连接控制器5的IN端，双金属温控变阻器8的电阻输出端同时连接控制器5的OUT端，控制器5与电池6连接，双金属温控变阻器8安装在电子烟具壳体9下部腔体的底部。
具体地，所述的双金属温控变阻器8包括：电阻输入端子Ⅰ71、金属电阻滑片72、滑片绝缘连接环73、环状电阻Ⅰ74、中心固定轴75、固定螺栓76、立式螺旋双金属丝77、电子烟导热套管Ⅰ78、连接固定器Ⅰ79；
电阻输入端子Ⅰ71固定在环状电阻Ⅰ74上缺口两侧任意一端的表面，金属电阻滑片72首端可在环状电阻Ⅰ74的表面滑动，其末端与滑片绝缘连接环73一端固定连接，滑片绝缘连接环73置于中心固定轴75上端，滑片绝缘连接环73另一端与立式螺旋双金属丝77固定连接，环状电阻Ⅰ74与电子烟导热套管Ⅰ78通过固定螺栓76连接，中心固定轴75下端穿过立式螺旋双金属丝77中部固定在电子烟导热套管Ⅰ78底部，立式螺旋双金属丝77设在电子烟导热套管Ⅰ78内部，其末端固定在电子烟导热套管Ⅰ78底部，立式螺旋双金属丝77受热旋转，带动滑片绝缘连接环73及金属电阻滑片72以中心固定轴75为转轴在环状电阻Ⅰ74的表面发生转动，电子烟导热套管Ⅰ78底部安装连接固定器Ⅰ79，热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅰ79伸入电子烟导热套管Ⅰ78内部且与立式螺旋双金属丝77接触，电阻输入端子Ⅰ71通过导线分别与热电偶热端引出线20、控制器5的IN端连接，金属电阻滑片72连接到控制器5的OUT端。
优选地，金属电阻滑片72为金属材料，滑片绝缘连接环73为非金属材料。
具体地，电阻输入端子Ⅰ71、金属电阻滑片72的首端均设有用于连接导线的圆孔。
具体地，立式螺旋双金属丝77由主动金属层51与被动金属层52组成，主动金属层51处于立式螺旋双金属丝的外圈，被动金属层52处于立式螺旋双金属丝的内圈。
具体地，所述的双金属温控变阻器8包括：固定螺母80、电阻输出端子81、电阻输入端子Ⅱ82、可变电阻滑片83、环状电阻Ⅱ84、电子烟导热套管Ⅱ85、中心转轴86、轴承87、平面螺旋双金属丝88、连接固定器Ⅱ89；利用平面螺旋双金属丝88受热产生形变，带动可变电阻滑片83在环状电阻Ⅱ84的表面滑动，进而改变电阻输出端子81、电阻输入端子Ⅱ82之间有效电阻的阻值，达到阻值随温度变化的目的；
电阻输出端子81固定在环状电阻Ⅱ84上缺口的底面，电阻输出端子81末端圆环套入中心转轴86上端，电阻输入端子Ⅱ82固定在环状电阻Ⅱ84上缺口两侧任意一端的表面，可变电阻滑片83首端可沿环状电阻Ⅱ84表面旋转，其末端与中心转轴86上端固定连接，环状电阻Ⅱ84与电子烟导热套管Ⅱ85固定连接，中心转轴86下端置于电子烟导热套管Ⅱ85底部中央的轴承87内，平面螺旋双金属丝88最外圈端子通过连接固定器Ⅱ89固定在电子烟导热套管85上，平面螺旋双金属丝88内圈端子固定在中心转轴86上，轴承87固定于电子烟导热套管Ⅱ85底部中央，热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅱ89与平面螺旋双金属丝88接触，电阻输入端子Ⅱ82通过导线分别与热电偶热端引出线20、控制器5的IN端连接，电阻输出端子81连接到控制器5的OUT端。
优选地，电阻输出端子81通过固定螺母80固定在环状电阻Ⅱ84上缺口的底面，环状电阻Ⅱ84由康铜线或镍铬线作为电阻材料绕于环状陶瓷骨架上组成，或用电阻材料“镀”在环状绝缘骨架上组成，电阻材料表面涂上耐高温珐琅涂料。
具体地，电阻输出端子81、电阻输入端子Ⅱ82的首端均设有用于连接导线的圆孔。
具体地，平面螺旋双金属丝88包括主动金属层61与被动金属层62，主动金属层61位于平面螺旋双金属丝88的外侧，被动金属层62位于平面螺旋双金属丝88的内侧。利用平面螺旋双金属丝88受热产生形变，带动中心转轴86转动，中心转轴86带动可变电阻滑片83在环状电阻Ⅱ84的表面滑动，进而改变电阻输出端81、电阻输入端82之间有效电阻的阻值，达到电阻值随温度变化的目的。
本发明的有益效果是：利用双金属材料随温度产生形变的特性，制成阻值能随温度自动改变的双金属温控变阻器。将该双金属温控变阻器并联于热电偶两端，可解决电子烟使用热电偶测温，热电偶冷端因加热片间歇性工作及抽吸热传导，导致的热电偶冷端温度不为0℃且波动，导致热电偶测温不准，采用常规冷端温度补偿方法不适用的问题。使用模拟补偿法进行热电偶冷端温度补偿，使得电子烟使用热电偶测温更加实时、准确，通过对烟弹加热片温度的精确测量，实时控制烟弹加热片加热，保证电子烟烟液达到最佳雾化效果，优化用户电子烟的抽吸感受，做到电子烟品质把控及规模化生产。
附图说明
图1热电偶测温的烟具整体结构示意图；
图2热电偶结构图；
图3测量热电偶等效电阻电路图；
图4热电偶测温的冷端温度补偿电路图；
图5立式螺旋双金属丝结构示意图；
图6平面螺旋双金属丝结构示意图；
图7立式螺旋双金属温控变阻器结构图；
图8平面螺旋双金属温控变阻器结构图。
图中各标号为：1感应励磁线圈，2烟弹加热片，3烟弹，4热电偶，5控制器，6电池，7热电偶冷端补偿导线，8双金属温控变阻器，9电子烟具壳体，20热电偶热端引出线，21热电偶冷端引出线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明型，并非用于限定本发明型的范围。
本发明采用模拟电路法进行冷端温度补偿，来解决电子烟用热电偶测温时冷端温度变化波动，且不为0℃，对热电偶测温的影响。利用热电偶冷端温度升高造成的电流变化设计模拟电路进行补偿，具体操作是在热电偶的两端并联上一个阻值随冷端温度变化的立式或平面螺旋双金属温控变阻器R，对因热电偶冷端温度升高导致电流的减小量进行补偿，达到冷端温度补偿的目的。本发明要实现变阻器阻值随温度变化，利用螺旋双金属丝、滑动变阻器的基本原理。螺旋双金属由二种不同温度膨胀系数的金属组成，本发明将金属丝绕制成立式弹簧状或平面蝇盘状，依据双金属丝不同的两种结构设计，对于双金属温控变阻器结构设计有两种方案。
实施例1：如图1、2、3、4、5、7所示，一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：包括感应励磁线圈1、烟弹加热片2、烟弹3、热电偶4、控制器5、电池6、热电偶冷端补偿导线7、双金属温控变阻器8、电子烟具壳体9，热电偶热端引出线20，热电偶冷端引出线21；
感应励磁线圈1缠绕在电子烟具壳体9上部腔体上，加热片2固定在烟弹3外圈并对烟弹3进行加热，热电偶4安装在电子烟具壳体9上部腔体的底端，热电偶4的热电偶热端引出线20通过导线连接到双金属温控变阻器8电阻输入端，热电偶冷端引出线21通过热电偶冷端补偿导线7与双金属温控变阻器8内的金属丝接触，双金属温控变阻器8的电阻输入端同时连接控制器5的IN端，双金属温控变阻器8的电阻输出端同时连接控制器5的OUT端，控制器5的VCC、GND端与电池6连接，双金属温控变阻器8安装在电子烟具壳体9下部腔体的底部。
热电偶4的测温信号通过热电偶冷端补偿导线7和双金属温控变阻器8进行温度补偿后，将此温度信号通过导线传输到控制器5的IN/OUT端。
进一步地，所述的双金属温控变阻器8包括：电阻输入端子Ⅰ71、金属电阻滑片72、滑片绝缘连接环73、环状电阻Ⅰ74、中心固定轴75、固定螺栓76、立式螺旋双金属丝77、电子烟导热套管Ⅰ78、连接固定器Ⅰ79；
电阻输入端子Ⅰ71固定在环状电阻Ⅰ74上缺口两侧任意一端的表面，金属电阻滑片72首端可在环状电阻Ⅰ74的表面滑动，其末端与滑片绝缘连接环73一端固定连接，滑片绝缘连接环73置于中心固定轴75上端，滑片绝缘连接环73另一端与立式螺旋双金属丝77固定连接，环状电阻Ⅰ74与电子烟导热套管Ⅰ78通过固定螺栓76连接，中心固定轴75下端穿过立式螺旋双金属丝77中部固定在电子烟导热套管Ⅰ78底部，立式螺旋双金属丝77设在电子烟导热套管Ⅰ78内部，其末端固定在电子烟导热套管Ⅰ78底部，立式螺旋双金属丝77转动带动滑片绝缘连接环73及金属电阻滑片72以中心固定轴75为转轴在环状电阻Ⅰ74的表面发生转动，电子烟导热套管Ⅰ78底部安装连接固定器Ⅰ79，热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅰ79伸入电子烟导热套管Ⅰ78内部且与立式螺旋双金属丝77接触，电阻输入端子Ⅰ71通过导线分别与热电偶热端引出线20、控制器5的IN端连接，金属电阻滑片72连接到控制器5的OUT端。
立式螺旋双金属丝77转动，带动滑片绝缘连接环73及金属电阻滑片72以中心固定轴75为转轴在环状电阻Ⅰ74的表面发生转动。热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅰ79引入电子烟导热套管Ⅰ78底部。
进一步地，环状电阻Ⅰ74存在一缺口用于固定电阻输入端子71，使环状电阻非闭环，金属电阻滑片72为金属材料，滑片绝缘连接环73为非金属材料。
进一步地，电阻输入端子Ⅰ71、金属电阻滑片72的首端均设有用于连接导线的圆孔。电阻输入端子71与金属电阻滑片72之间不含缺口的一段电阻为其双金属温控变阻器的有效电阻。
具体地，立式螺旋双金属丝77由主动金属层51与被动金属层52组成，主动金属层51处于立式螺旋双金属丝的外圈，被动金属层52处于立式螺旋双金属丝的内圈。利用立式螺旋双金属丝77受热产生形变，带动金属电阻滑片72在环状电阻Ⅰ74的表面滑动，进而改变电阻输入端子71、金属电阻滑片72之间有效电阻的阻值，达到阻值随温度变化的目的。
本实施例的工作原理是：立式螺旋双金属丝77转动，带动滑片绝缘连接环73及金属电阻滑片72以中心固定轴75为转轴在环状电阻Ⅰ74的表面转动。热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅰ79引入电子烟导热套管Ⅰ78底部。热电偶冷端补偿导线7与双金属产生热传递，双金属丝受热，利用双金属的组成金属温度系数不同，双金属丝产生形变，从而带动滑片绝缘连接环73及金属电阻滑片72以中心固定轴75为转轴在环状电阻Ⅰ74的表面发生转动。改变电阻输入端子71与金属电阻滑片72间的阻值，达到双金属温控变阻器阻值随温度变化的目的。将该立式螺旋双金属温控变阻器接入电路时，电流由电阻输入端子71流经环状电阻Ⅰ74，经金属电阻滑片72流出。
具体确定热电偶冷端温度差值ΔT＝T1-T0与立式螺旋双金属丝受热后金属变阻器滑片72的旋转角度θ′和金属丝长度S的计算公式如下：
立式螺旋双金属丝的曲率K0公式为
a0、a1为双金属主动层金属、被动层金属的热膨胀系数；
m为双金属丝厚度；
ΔT为热电偶冷端温度差值；
立式螺旋双金属丝受热后的旋转角度θ′为其曲率K0与长度S的乘积。则可得双金属丝冷端温度由T0升高为T1时的旋转角度θ′
由上式可得立式螺旋双金属丝的长度
综上，将由公式
求得的θ′代入上式，可得立式螺旋双金属丝的长度S。
以双金属丝底面圆心为原点，建立三维极坐标系，建立方程组为
x＝rcost,y＝rsint,
r为螺旋管底面半径；
t为弹簧状双金属丝极坐标角度，t＝2πn；
n为双金属丝材料的绕制匝数；
d为双金属丝匝等间距的匝间距值。
S为立式螺旋双金属丝的长度，公式如下：
将由
求得的S为立式螺旋双金属丝的长度，代入上式可确定双金属丝的线圈匝数n与双金属丝匝间距值d的函数关系。
通过以上计算可确定热电偶冷端温度差ΔT与双金属温度变阻器的旋转角度θ′呈线性关系，通过螺旋双金属丝对冷端温度的反应，改变并联入电路的双金属温控变阻器R的阻值，对减小的电流值进行补偿，达到热电偶冷端温度自动补偿的效果，实现减小热电偶测温误差的目的。
实施例2：如图1、2、3、4、6、8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：双金属温控变阻器8的结构不同。
本实施例的双金属温控变阻器8包括：固定螺母80、电阻输出端子81、电阻输入端子Ⅱ82、可变电阻滑片83、环状电阻Ⅱ84、电子烟导热套管Ⅱ85、中心转轴86、轴承87、平面螺旋双金属丝88、连接固定器Ⅱ89；
电阻输出端子81固定通过固定螺母80在环状电阻Ⅱ84上缺口的底面，电阻输出端子81末端圆环套入中心转轴86上端，中心转轴86可在电阻输出端81末端圆环内转动，电阻输入端子Ⅱ82固定在环状电阻Ⅱ84上缺口两侧任意一端的表面，可变电阻滑片83首端沿环状电阻Ⅱ84表面旋转，其末端与中心转轴86上端固定连接，环状电阻Ⅱ84与电子烟导热套管Ⅱ85固定连接，中心转轴86下端置于电子烟导热套管Ⅱ85底部中央的轴承87内，平面螺旋双金属丝88最外圈端子通过连接固定器Ⅱ89固定在电子烟导热套管85上，平面螺旋双金属丝88内圈端子固定在中心转轴86上，轴承87固定于电子烟导热套管Ⅱ85底部中央，热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅱ89与平面螺旋双金属丝88接触，电阻输入端子Ⅱ82通过导线分别与热电偶热端引出线20、控制器5的IN端连接，电阻输出端子81连接到控制器5的OUT端。平面螺旋双金属丝88受热后发生形变，带动中心转轴86在电阻输出端子81末端的圆环内、轴承87内转动，中心转轴86带动可变电阻滑片83沿环状电阻Ⅱ84表面旋转。
进一步地，电阻输出端子81通过固定螺母80固定在环状电阻Ⅱ84上缺口的底面，环状电阻Ⅱ84由康铜线或镍铬线作为电阻材料绕于环状陶瓷骨架上组成，或用电阻材料“镀”在环状绝缘骨架上组成，电阻材料表面涂上耐高温珐琅涂料，并粘合于陶瓷器底盘上。
进一步地，电阻输出端子81、电阻输入端子Ⅱ82的首端均设有用于连接导线的圆孔。
进一步地，平面螺旋双金属丝88包括主动金属层61与被动金属层62，主动金属层61位于平面螺旋双金属丝88的外侧，被动金属层62位于平面螺旋双金属丝88的内侧。利用平面螺旋双金属丝88受热产生形变，带动中心转轴86转动，中心转轴86带动可变电阻滑片83在环状电阻Ⅱ84的表面滑动，进而改变电阻输出端81、电阻输入端82之间有效电阻的阻值，达到电阻值随温度变化的目的。
本实施例的工作原理是：本实施例将双金属丝卷绕成平面螺旋状蝇盘式，将平面螺旋双金属丝88圆心端与中心转轴86固定连接，最外圈端子固定在连接固定器Ⅱ89外侧，热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅱ89引入导热套管内部85，与双金属丝进行热传导，双金属丝产生形变，双金属丝带动中心转轴86旋转，中心转轴86带动可变电阻滑片83在环状电阻Ⅱ84表面滑动，改变电阻输出端子81与电阻输入端子Ⅱ82间的电阻的长度，改变变阻器阻值，达到其阻值随冷端温度变化的目的。将该平面螺旋双金属温控变阻器接入电路时，电流由电阻输入端子Ⅱ82流经可变电阻滑片83，经过电阻输出端子81流出。平面螺旋双金属温控变阻器的有效电阻为电阻输入端子Ⅱ82与可变电阻滑片83之间无缺口段电阻。
平面螺旋双金属丝88受热后的旋转角度
可求得平面螺旋双金属丝88的长度
K1为双金属丝的比弯曲；
ΔT＝T1-T0为热电偶冷端温度差；
m为双金属丝厚度；
当电子烟加热稳定时，冷端温度由T0变为T1，热端温度为T2。由下文步骤(4)可得，可求得平面螺旋双金属丝88需要带动可变电阻滑片83旋转的角度为
将求得滑片旋转的角度为θ′代入
可求得平面螺旋双金属丝88长度S的值，将S长度代入下式可确定得双金属丝的线圈匝数n与匝间距D的关系。
平面螺旋双金属丝88长度S计算公式为
r1为其最内圈半径；
D为其等匝间距的匝间距值；
m为其的厚度；
n为其匝数；
据以上公式可知热电偶冷端温度差ΔT与双金属温度变阻器的旋转角度
θ′呈线性关系，可由ΔT确定与θ′的大小，由θ′求得双金属丝的长度S，由长度S确定匝数n与匝间距D的关系，进行双金属温控变阻器的设计。
下面对实施例1、实施例2的理论原理进行详细说明。
立式螺旋双金属温控变阻器将热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅰ79引入电子烟导热套管Ⅰ78内部后，与立式螺旋双金属丝77进行热传导，立式螺旋双金属丝77受热产生形变，进而带动金属变阻器滑片72在环状电阻Ⅰ74表面进行旋转，改变电阻输入端子71与金属变阻器滑片72之间无缺口段的电阻长度，进而改变立式螺旋双金属温控变阻器的阻值。
平面螺旋双金属温控变阻器将热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅱ89引入电子烟导热套管Ⅱ85内部后，与平面螺旋双金属丝88进行热传导，平面螺旋双金属丝88受热产生形变，带动中心转轴86转动，中心转轴86带动可变电阻滑片83在环状电阻Ⅱ84表面进行旋转，改变电阻输入端子Ⅱ82与电阻输出端子81之间无缺口段的电阻长度，进而改变平面螺旋双金属温控变阻器的阻值。
本发明要进行热电偶的冷端温度补偿，首先通过选定一种双金属丝确定其主动层金属、被动层金属的热膨胀系数a0、a1,双金属元件厚度m，确定立式螺旋双金属线圈的底面半径r,平面螺旋双金属丝的内圈半径r1。电子烟加热时，冷端温度升高。要进行双金属温控变阻器的结构设计，就要使得冷端升高产生的温度差ΔT与双金属温控变阻器金属变阻器滑片72或可变电阻滑片83的旋转角度θ′呈线性变化，具体计算二者关系的步骤为：
(1)由分流法求热电偶的等效电阻R热；
(2)由等效电阻R热和冷端温度变化引起的电势差，求流过热电偶的电流变化量ΔI2；
(3)由ΔI2求双金属温控变阻器的电阻变化量ΔR；
(4)由ΔR求解双金属温控变阻器滑片的旋转角度θ′；
(5)由θ′求解立式和平面螺旋双金属丝的长度S。
步骤(1)由分流法求热电偶的等效电阻R热的具体方法为：
热电偶处与温度场下的等效回路电阻可用等效法和分流法来测量。测量过程中热电偶测量端应保持恒温,热电偶引出脚应保持同样的终端温度。将热电偶与开关K’、变阻器r0串联，再将可测量微伏级电压的高阻抗电压表v与热电偶两引出线并联。首先开关K’打开，热电偶为开环状态，使用高阻抗电压表v测量热电偶两引出线之间的热电偶的热电势Et0。再合上开关K’,调整变阻器的电阻r0，直到测得的电压变为开环热电势Et0的1/2，此时变阻器r0的电阻与热电偶回路电阻相同。然后将变阻器r0从电路中取出，直接用欧姆表测量其电阻r0，此值即为热电偶的等效电阻R热。
步骤(2)为求得因热电偶冷端温度变化导致流过其的电流变化ΔI2的具体方法为：
对采用热电偶测温时是否存在冷端温度变化的两种情况进行分析：
假设冷端无温度变化时，当两种不同的金属导体(A和B)连接形成闭合回路，依据热电偶的塞贝克效应，初始冷端温度为T0，电子烟加热稳定时，冷端温度不变，热端温度为T2，热电偶热电势为Et＝fAB(0，T0)+fAB(T0，T2)。fAB(0，T0)可查T0时刻的热电势分度表得到，fAB(T0，T2)为热电偶两端测得电压。
存在冷端温度变化时，电子烟初始冷端温度为T0，电子烟加热稳定时，冷端温度变为T1，热端温度为T2，热电偶的热电势Et＝fAB(0，T0)+fAB(T0，T1)+fAB(T1，T2)，fAB(T1，T2)为热电偶两端实际电压，fAB(T0，T1)为冷端温度升高导致的电势差。
据以上两个关于热电偶热电势的式子可知，当电子烟加热时，冷端温度由T0升高为T1，fAB(T0，T1)变大，则热电偶两端实际电压fAB(T1，T2)减小，冷端温度变化产生的热电势fAB(T0，T1)对热电偶测温造成影响，所以需要对冷端温度升高引起的fAB(T0，T1)进行补偿。fAB(T0，T1)增大，使得流过热电偶的电流I2减小，变化量为ΔI2，fAB(T0，T1)＝ΔI2R热，则热电偶冷端温度升高导致流过热电偶的电流变化值
步骤(3)求得双金属温控变阻器的电阻变化量ΔR的具体方法为：
若双金属温控变阻器的初始阻值为R0，ΔR为双金属温控变阻器随冷端温度改变的阻值变化量。当电子烟加热稳定时，冷端温度由T0变为T1，热端温度为T2。将双金属温控变阻器与热电偶并联，双金属温控变阻器两端电压与热电偶实际电压fAB(T1，T2)相同，流过滑动变阻器R的电流变化量为ΔI1。可得方程：fAB(T1，T2)＝ΔI1(R0+ΔR)。则当电子烟开始加热，要对冷端温度变化进行补偿，使得流过热电偶的电流变化量ΔI2＝ΔI1，则双金属温控变阻器的电阻变化量
由步骤(2)可得
代入上式得
步骤(4)为求得双金属温控变阻器的滑片旋转角度θ′的具体方法为：
已知Rt为环状变阻器的最大阻值大小，金属变阻器滑片72在环状电阻Ⅰ74表面(可变电阻滑片83在环状电阻Ⅱ84表面)能旋转的最大角度为θ，双金属温控变阻器的初始阻值为R0，双金属温控变阻器电阻随温度的变化量为ΔR，可求得双金属丝需要带动滑片旋转的角度为
步骤(5)为求得螺旋双金属丝的长度S的具体方法为：
本发明要实现双金属温控变阻器的阻值随温度线性变化，利用双金属的材料特性，双金属材料为多种不同温度膨胀系数的金属，当温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得双金属螺旋丝收缩或舒张。双金属一端与热电偶冷端相连，进行热传导，另外一端带动滑双金属温控变阻器滑片转动，改变接入电路部分的电阻长度，进而滑动变阻器阻值。
如图2所示，为本发明中热电偶测温元件的结构图。左边和右边两种不同的金属串联并引出其热端引线20、冷端引线21，据塞贝克效应，当热电偶两端温度不同时，热电偶两端会产生热电势，可利用其热电势求得被测物体的温度。两种不同金属材料制成的热电偶，冷端温度T1和热端温度T2之间的热电势Et表达式为Et＝fAB(T1，T2)。冷端温度需要T1保持为0℃或20℃。热电偶实际测温时，其冷端温度升高，导致所测热电势减小，所以需要对热电偶进行冷端温度补偿。
如图3所示为本发明中测量热电偶等效电阻R热的电路图，采用分流法对处与温度场下的热电偶回路进行等效测量。测量过程中热电偶测量端应保持恒温,热电偶引出脚应保持同样的终端温度。将热电偶R热与开关K’及滑动变阻器r0串联，再将可测量微伏级电压的高阻抗电压表v与热电偶热冷端引出线20、21并联。具体测量方法为：首先开关K’打开，热电偶R热为开环，使用电压表v测量处于温度场中的开环热电偶两引出线之间的热电势Et0。再合上开关K’，调整变阻器的电阻，直到测得的电压变为开环热电势的1/2，此时变阻器的电阻与热电偶回路电阻相同。然后将变阻器从电路中取出，直接用欧姆表测量其电阻r0，此值即为热电偶的等效电阻R热。
如图4所示为本发明中热电偶测温的冷端温度自动补偿电路原理图；本发明中热电偶测温的冷端温度补偿采用模拟补偿法，当热电偶冷端温度升高，流过热电偶电流减小，通过设计电路对热电偶支路减少的电流值进行补偿。假设实际热电偶的热电势Et可等效为电源E和电源内阻R`，测量热电偶等效为电阻R热，根据基尔霍夫电流定律可知由等效电源E经内阻R`流出的电流为I。假设热电偶冷端温度为T1，热端温度为T2，由热电偶中间温度定律可得：热电势Et＝fAB(T2，0)-fAB(T1，0)，冷端温度T1升高，则fAB(T1，0)增大，热电势Et减小，则流过热电偶的电流I2减小，变化值为ΔI2。为对流过热电偶的电流变化值ΔI2进行补偿，本发明采用模拟补偿法进行补偿，具体方法是在热电偶两端并联上一个双金属温控变阻器R，流过其电流为I1。电路中电流I等于流过电阻R的电流I1和流过热电偶R热的电流I2之和，即I＝I1+I2。当热电偶冷端温度T1改变，双金属温控变阻器R阻值随温度线性改变，该电阻导致的电流变化为ΔI1。即电路中电流I＝(I2-ΔI2)+(I1+ΔI1)，当ΔI1＝ΔI2，则电路中电流I恒定不变，从而达到热电偶冷端温度补偿的目的。
如图5所示为本发明中立式螺旋双金属丝结构示意图，其为立式螺旋双金属温控变阻器中的立式螺旋双金属丝77结构示意图；具体方法是将双金属片制成螺旋弹簧形状，r为立式螺旋双金属丝底面半径，双金属丝绕制匝数n，立式螺旋双金属丝等匝间距，匝间距为d，金属丝厚度m。其组成为主动金属51与被动金属52，主动金属层51处于立式螺旋双金属丝的外侧，被动金属层52处于立式螺旋双金属丝的内侧。立式螺旋双金属丝在受热时，因双金属材料金属的温度膨胀系数不同，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋金属丝收缩或松开，双金属丝受热后，带动变阻器滑片移动，通过改变金属输入端子71与金属电阻滑片72间的电阻长度，进而改变立式螺旋双金属温控变阻器的阻值。
如图6所示为进行冷端温度的补偿的平面螺旋形双金属丝结构示意图，其为平面螺旋双金属温控变阻器中的平面螺旋双金属丝88的结构示意图；将双金属丝制成平面螺旋形状，绕制n圈，其最内圈初始半径为r1,金属丝匝间距值为D、双金属丝厚度m。平面螺旋双金属丝88的外圈为主动金属层61，平面螺旋双金属丝88的内圈为被动金属层62。利用双金属的材料特性，双金属丝在温度改变时，螺旋双金属丝旋转收缩或舒张，平面螺旋双金属丝最外圈一端固定，另一端固定在中心转轴86上带动其转动,通过中心转轴86带动可变电阻滑片83移动，通过改变电阻输入端子Ⅱ82与电阻输出端子81间的电阻长度，进而改变平面螺旋形双金属温控变阻器的阻值。
如图7所示，为本发明中双金属温控变阻器结构设计方案一-立式螺旋双金属温控变阻器。环状电阻Ⅰ74采用康铜线或镍铬线作为电阻材料绕于圆环陶瓷骨架上，或用电阻材料“镀”在环状绝缘骨架上，电阻材料表面涂上耐高温珐琅涂料，并粘合于陶瓷器底盘上。电阻输入端子71固定在环状电阻Ⅰ74缺口两侧任意一端的表面，金属电阻滑片72首端可在环状电阻Ⅰ74的表面滑动，其末端与滑片绝缘连接环73一端固定连接，滑片绝缘连接环73置于中心固定轴75上端，滑片绝缘连接环73另一端与立式螺旋双金属丝77固定连接，环状电阻Ⅰ74与电子烟导热套管Ⅰ78通过固定螺栓76连接，中心固定轴75下端穿过立式螺旋双金属丝77中部固定在电子烟导热套管Ⅰ78底部，立式螺旋双金属丝77设在电子烟导热套管Ⅰ78内部，其末端固定在电子烟导热套管Ⅰ78底部，立式螺旋双金属丝77转动，带动滑片绝缘连接环73及金属电阻滑片72以中心固定轴75为转轴在环状电阻Ⅰ74的表面发生转动。热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅰ79引入电子烟导热套管Ⅰ78底部，与电子烟导热套管Ⅰ78内部的立式螺旋双金属丝77接触，进行热传递。当双金属受热时产生形变，发生转动从而带动金属电阻滑片72旋转，改变电阻输入端子Ⅰ71与金属电阻滑片72间阻值，达到双金属温控变阻器阻值随温度变化的目的。
如图8所示，为本发明中双金属温控变阻器结构设计方案二-平面螺旋双金属温控变阻器。固定螺母80将电阻输出端81固定在环状电阻Ⅱ84的缺口底面，电阻输出端81末端圆环套入中心转轴86上端，中心转轴86可在电阻输出端81末端圆环内转动，电阻输入端82固定在环状电阻Ⅱ84缺口两侧任意一端的表面，可变电阻滑片83首端可沿环状电阻Ⅱ84表面旋转，其末端与中心转轴86上端固定连接，环状电阻Ⅱ84与电子烟导热套管Ⅱ85固定连接，中心转轴86上端置于电阻输出端81末端圆环内，下端通过轴承87置于在电子烟导热套管Ⅱ85中央，平面螺旋双金属线圈88最外圈端子通过连接固定器Ⅱ89固定在电子烟导热套管85上，平面螺旋双金属线圈88内圈端子固定在中心转轴86上，轴承87固定于电子烟导热套管Ⅱ85底部中央，热电偶冷端补偿导线7通过连接固定器Ⅱ89与平面螺旋双金属线圈88接触，平面螺旋双金属线圈88受热后发生形变，带动中心转轴86在电阻输出端81末端的圆环内、轴承87内转动，中心转轴86带动可变电阻滑片83沿环状电阻Ⅱ84表面旋转，改变电阻输入端82与电阻输出端81间阻值，达到双金属温控变阻器阻值随温度变化的目的。
本设计通过热电偶冷端温度模拟补偿法，利用双金属温控变阻器，感应冷端温度并使双金属温控变阻器的阻值随温度线性变化，将其与热电偶并联接入电路，实现热电偶冷端温度自动补偿的目的，进而解决了热电偶冷端温度不为0℃且变化，对热电偶测温的造成误差的影响，提高了热电偶测温准确性。实现烟具加热片温度的实时准确测量，进而准确控制烟具加热温度，保证用户抽吸感受，提高烟具品质，达到烟具批量化生产的目的。
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 (9)
1.一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：包括感应励磁线圈(1)、烟弹加热片(2)、烟弹(3)、热电偶(4)、控制器(5)、电池(6)、热电偶冷端补偿导线(7)、双金属温控变阻器(8)、电子烟具壳体(9)，热电偶热端引出线(20)，热电偶冷端引出线(21)；
感应励磁线圈(1)缠绕在电子烟具壳体(9)上部腔体上，加热片(2)固定在烟弹(3)外圈并对烟弹(3)进行加热，热电偶(4)安装在电子烟具壳体(9)上部腔体的底端，热电偶(4)的热电偶热端引出线(20)通过导线连接到双金属温控变阻器(8)电阻输入端，热电偶冷端引出线(21)通过热电偶冷端补偿导线(7)与双金属温控变阻器(8)内的金属丝接触，双金属温控变阻器(8)的电阻输入端同时连接控制器(5)的IN端，双金属温控变阻器(8)的电阻输出端同时连接控制器(5)的OUT端，控制器(5)与电池(6)连接，双金属温控变阻器(8)安装在电子烟具壳体(9)下部腔体的底部。
2.根据权利要求1所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：所述的双金属温控变阻器(8)包括：电阻输入端子Ⅰ(71)、金属电阻滑片(72)、滑片绝缘连接环(73)、环状电阻Ⅰ(74)、中心固定轴(75)、固定螺栓(76)、立式螺旋双金属丝(77)、电子烟导热套管Ⅰ(78)、连接固定器Ⅰ(79)；
电阻输入端子Ⅰ(71)固定在环状电阻Ⅰ(74)上缺口两侧任意一端的表面，金属电阻滑片(72)首端可在环状电阻Ⅰ(74)的表面滑动，其末端与滑片绝缘连接环(73)一端固定连接，滑片绝缘连接环(73)置于中心固定轴(75)上端，滑片绝缘连接环(73)另一端与立式螺旋双金属丝(77)固定连接，环状电阻Ⅰ(74)与电子烟导热套管Ⅰ(78)通过固定螺栓(76)连接，中心固定轴(75)下端穿过立式螺旋双金属丝(77)中部固定在电子烟导热套管Ⅰ(78)底部，立式螺旋双金属丝(77)设在电子烟导热套管Ⅰ(78)内部，其末端固定在电子烟导热套管Ⅰ(78)底部，立式螺旋双金属丝(77)转动时，带动滑片绝缘连接环(73)及金属电阻滑片(72)以中心固定轴(75)为转轴在环状电阻Ⅰ(74)的表面发生转动，电子烟导热套管Ⅰ(78)底部安装连接固定器Ⅰ(79)，热电偶冷端补偿导线(7)通过连接固定器Ⅰ(79)伸入电子烟导热套管Ⅰ(78)内部且与立式螺旋双金属丝(77)接触，电阻输入端子Ⅰ(71)通过导线分别与热电偶热端引出线(20)、控制器(5)的IN端连接，金属电阻滑片(72)连接到控制器(5)的OUT端。
3.根据权利要求2所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：金属电阻滑片(72)为金属材料，滑片绝缘连接环(73)为绝缘非金属材料。
4.根据权利要求2所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：电阻输入端子Ⅰ(71)、金属电阻滑片(72)的首端均设有用于连接导线的圆孔。
5.根据权利要求2所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：立式螺旋双金属丝(77)由主动金属层(51)与被动金属层(52)组成，主动金属层(51)处于立式螺旋双金属丝的外圈，被动金属层(52)处于立式螺旋双金属丝的内圈。
6.根据权利要求1所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：所述的双金属温控变阻器(8)包括：电阻输出端子(81)、电阻输入端子Ⅱ(82)、可变电阻滑片(83)、环状电阻Ⅱ(84)、电子烟导热套管Ⅱ(85)、中心转轴(86)、轴承(87)、平面螺旋双金属丝(88)、连接固定器Ⅱ(89)；电阻输出端子(81)通过固定螺母(80)固定在环状电阻Ⅱ(84)上缺口的底面，电阻输出端子(81)末端圆环套入中心转轴(86)上端，电阻输入端子Ⅱ(82)固定在环状电阻Ⅱ(84)上缺口两侧任意一端的表面，可变电阻滑片(83)首端沿环状电阻Ⅱ(84)表面旋转，其末端与中心转轴(86)上端固定连接，环状电阻Ⅱ(84)与电子烟导热套管Ⅱ(85)固定连接，中心转轴(86)下端置于电子烟导热套管Ⅱ(85)底部中央的轴承(87)内，平面螺旋双金属丝(88)最外圈端子通过连接固定器Ⅱ(89)固定在电子烟导热套管(85)上，平面螺旋双金属丝(88)内圈端子固定在中心转轴(86)上，轴承(87)固定于电子烟导热套管Ⅱ(85)底部中央，热电偶冷端补偿导线(7)通过连接固定器Ⅱ(89)与平面螺旋双金属丝(88)接触，电阻输入端子Ⅱ(82)通过导线分别与热电偶热端引出线(20)、控制器(5)的IN端连接，电阻输出端子(81)连接到控制器(5)的OUT端。
7.根据权利要求6所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：电阻输出端子(81)通过固定螺母(80)固定在环状电阻Ⅱ(84)缺口的底面上，环状电阻Ⅱ(84)由康铜线或镍铬线作为电阻材料绕于环状绝缘骨架上组成，或用电阻材料“镀”在环状绝缘骨架上组成，电阻材料表面涂上耐高温珐琅涂料。
8.根据权利要求6所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：电阻输出端子(81)、电阻输入端子Ⅱ(82)的首端均设有用于连接导线的圆孔。
9.根据权利要求6所述的一种热电偶测温的冷端温度自动补偿装置，其特征在于：平面螺旋双金属丝(88)包括主动金属层(61)与被动金属层(62)，主动金属层(61)位于平面螺旋双金属丝(88)的外侧，被动金属层(62)位于平面螺旋双金属丝(88)的内侧。
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2022
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| CN116059533A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-05 | 湖南安泰康成生物科技有限公司 | 一种主动散热电极片及电极装置 |
| CN116059533B (zh) * | 2023-02-20 | 2023-11-21 | 湖南安泰康成生物科技有限公司 | 一种主动散热电极片及电极装置 |
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