CN115655525A - 热电阻时间常数测试方法及热电阻时间常数测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电阻时间常数测试方法及热电阻时间常数测试装置，热电阻时间常数测试装置包括可自转的环形水槽、围设在环形水槽壁面的控温管、设置在环形水槽开口端上方的接近开关和传动机构；待测热电阻连接传动机构并在传动机构的引导下沿靠近或远离接近开关的方向可移动。本发明的热电阻时间常数测试方法，依据一阶系统的阶跃响应输出，利用多组输出(待测热电阻的温度变化)与输入(时间)的数据，进行数据拟合，可求得时间常数。同时通过接近开关的动作信号来确定温度阶跃的起始时间，更严格地控制了所拟合的有效数据的区间，使得拟合数据更加可靠，测量结果更加准确。

Description

热电阻时间常数测试方法及热电阻时间常数测试装置

技术领域

本发明涉及计量检测技术领域，尤其涉及一种热电阻时间常数测试方法及热电阻时间常数测试装置。

背景技术

测量流体温度绝大多数采用接触式温度传感器，只有接触式温度传感器与环境条件达到热平衡后，传感器反映的温度值才是所需测试流体温度。温度传感器在测量变化较快的流体温度时，一般不能立刻反映被测温度，需要一定时间后才能达到热平衡状态。传感器的动态响应特性是指温度传感器的温度与被测介质温度增量之间的关系。

在实际校准中，常用温度传感器对阶跃温度的响应来描述其动态响应特性。时间常数是指温度出现阶跃变化时，温度传感器的输出温度变化到相当于该温度阶跃量的某个规定百分数时所需要的时间，温度传感器的时间常数不但与传感器本身的材料、构造有关，而且与被测流体的温度、流速等有关。

现有技术多是采用手动操作热电阻(常见的如铂电阻)与流体接触，再读取温度上升的时间来计算响应时间，自动化程度较低。且热电阻与流体开始接触的时间测量不精确，整体操作较繁琐，人员操作和计算易引起误差，重复性测量结果差异大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的热电阻时间常数测试方法及热电阻时间常数测试装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种热电阻时间常数测试方法，其包括以下步骤：

S1、在环形水槽开口端的上方安装传动机构和接近开关，在所述传动机构上安装待测热电阻；

S2、所述传动机构驱动待测热电阻向靠近环形水槽开口端的一侧下落，并浸入所述环形水槽内的被测流体中，记录起始时刻t₁和阶跃初始温度值T_m；

所述起始时刻t₁为待测热电阻接触到环形水槽内的被测流体且触发所述接近开关的瞬间，所述阶跃初始温度值T_m为对应起始时刻t₁的待测热电阻的温度值；

S3、记录结束时刻t₂、以及在t₁至t₂时间内待测热电阻各个时刻的温度值；

所述结束时刻t₂为待测热电阻的温度值达到阶跃最终温度值T_n的时刻，所述阶跃最终温度值T_n为环形水槽内被测流体的预设温度；

S4、将t₁至t₂时间内各个时刻组成的时间数据集、t₁至t₂时间内待测热电阻各个时刻的温度值组成的温度数据集，依据式(一)、式(二)进行数据拟合，得到时间常数τ：

式(一)中，C(t)为一阶系统传递函数中关于时间t的输出函数，其中时间t对应所述时间数据集，e为自然常数；

式(二)中，C(t)'为待测热电阻在t₁至t₂时间内的温度关于时间t的函数，其中T_i对应所述温度数据集。

优选地，将式(五)进行拉式反变换得到式(一)，依据式(三)、式(四)得到式(五):

其中，s为在复频域中对应时间t的表达；

式(三)中：G(S)为一阶系统的传递函数，C(S)为输出量的拉普拉斯变换，R(S)为输入量的拉普拉斯变换，τ为时间常数；

式(四)为单位阶跃的输入函数，式(五)为对应单位阶跃响应的输出函数。

本发明还提供一种热电阻时间常数测试装置，其包括可自转的环形水槽、围设在所述环形水槽壁面的控温管、设置在所述环形水槽开口端上方的接近开关和传动机构；

待测热电阻连接所述传动机构并在所述传动机构的引导下沿靠近或远离所述接近开关的方向可移动。

优选地，所述传动机构包括竖立在所述环形水槽开口端上方的竖向导轨、用于夹持所述待测热电阻并与所述竖向导轨滑动连接的夹具，所述接近开关设置在所述竖向导轨上。

优选地，所述传动机构还包括与所述竖向导轨远离所述环形水槽的一端连接的驱动电机和电磁离合器。

优选地，所述竖向导轨上设置有用于确定所述夹具在所述竖向导轨上的位置的第一位置开关。

优选地，所述热电阻时间常数测试装置还包括设置在所述环形水槽一侧的恒温水槽；

所述传动机构还包括与所述竖向导轨相垂直的横向导轨，所述竖向导轨滑动连接于所述横向导轨，并沿所述横向导轨可在靠近或远离所述恒温水槽的方向上来回运动。

优选地，所述横向导轨上设置有用于确定所述竖向导轨在所述横向导轨上的位置的第二位置开关。

优选地，所述环形水槽开口端上方设置有激光多普勒流速仪。

优选地，所述热电阻时间常数测试装置还包括数据采集器，所述数据采集器分别连接所述接近开关和所述待测热电阻。

本发明的热电阻时间常数测试方法，依据一阶系统的阶跃响应输出，利用多组输出(待测热电阻的温度变化)与输入(时间)的数据，进行数据拟合，可求得时间常数。同时通过接近开关的动作信号来确定温度阶跃的起始时间，更严格地控制了所拟合的有效数据的区间，使得拟合数据更加可靠，测量结果更加准确。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的热电阻时间常数测试装置的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

部件被称为“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

术语“第一”、“第二”等仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。

上述术语仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

本发明一实施例的热电阻时间常数测试方法包括以下步骤：

S1、在环形水槽1开口端的上方安装传动机构3和接近开关2，在传动机构3上安装待测热电阻9。

S2、传动机构3驱动待测热电阻9向靠近环形水槽1开口端的一侧下落，并浸入环形水槽1内的被测流体中，记录起始时刻t₁和阶跃初始温度值T_m；

起始时刻t₁为待测热电阻9接触到环形水槽1内的被测流体且触发接近开关2动作信号的瞬间，所述T_m为对应起始时刻t₁的待测热电阻9的温度值。

具体地，在一些实施例中，待测热电阻9大致呈条状，具有一定的长度。可将接近开关2安装在传动机构3上，且与环形水槽1内的被测流体液面齐平，待测热电阻9的一端部刚接触被测流体的一瞬间即同时触发接近开关2，控制系统接收到接近开关2的动作信号则开始计时。控制系统在一些实施例中可以是工控机7。

接近开关2可选用涡流式接近开关。通过接收接近开关2的动作信号，可精准确定温度阶跃的起始时间t₁，使时间常数测量结果更为准确。

S3、记录结束时刻t₂、以及在t₁至t₂时间内待测热电阻9各个时刻的温度值；结束时刻t₂为待测热电阻9的温度值达到阶跃最终温度值T_n的时刻，阶跃最终温度值T_n为环形水槽1内被测流体的预设温度。

对应地，可在步骤S2之前，在环形水槽1的壁面安装控温管10，控制系统可连接环形水槽1上的控温管10，提前在控制系统中设定环形水槽1内被测流体的温度，使被测流体加热到预设温度。

具体地，可设置一数据采集器8分别连接接近开关2和待测热电阻9，接收接近开关2的动作信号以及记录待测热电阻9的温度变化数据，实时反馈至控制系统，则控制系统可自动记录起始时刻t₁及阶跃初始温度值T_m。

在控制系统中设定环形水槽1内被测流体的预设温度(即阶跃最终温度值T_n)后，控制系统可自动记录到待测热电阻9的温度达到阶跃最终温度值T_n时的结束时刻t₂。

S4、将t₁至t₂时间内各个时刻组成的时间数据集、t₁至t₂时间内待测热电阻9各个时刻的温度值组成的温度数据集，依据式(一)、式(二)进行数据拟合，得到时间常数τ：

式(一)中，C(t)为一阶系统传递函数中关于时间t的输出函数，其中时间t可对应取自t₁至t₂时间内各个时刻组成的时间数据集，e为自然常数；

式(二)中，C(t)'为待测热电阻9在t₁至t₂时间内的温度关于时间t的函数，其中T_i可对应取自t₁至t₂时间内待测热电阻9各个时刻的温度值组成的温度数据集。

具体地，其中C(t)为一阶系统传递函数中输出函数的一般表达形式，在本测试中输出函数对应待测热电阻9的温度随时间t的变化，则C(t)'为C(t)在本测试中的具体表达形式。令C(t)'＝C(t)，取时间数据集和温度数据集，利用测量模型函数进行数据拟合，可求得较准确的时间常数τ。

进一步地，可依据一阶系统的传递函数，将式(五)进行拉式反变换得到式(一)，依据式(三)、式(四)得到式(五):

其中，s为在复频域中对应时间t的表达；

式(三)中：G(S)为一阶系统的传递函数，C(S)为输出量的拉普拉斯变换，R(S)为输入量的拉普拉斯变换，τ为时间常数；

式(四)为单位阶跃的输入函数；式(五)为对应单位阶跃响应的输出函数。输入量在本测试中对应时间t，输出量在本测试中对应待测热电阻9的温度变化。

综上所述，依据一阶系统的阶跃响应输出，利用多组输出(待测热电阻9的温度变化)与输入(时间)的数据，由测量模型函数进行数据拟合，可求得时间常数。同时通过接近开关2的动作信号来确定温度阶跃的起始时间t₁，更严格地控制了所拟合的有效数据的区间，使得拟合数据更加可靠，测量结果更加准确。

可以理解地，结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

整个测试过程只需在控制系统中输入阶跃最终温度值T_n(被测流体的预设温度)等预设参数，即自动得到热电阻时间常数的值，试验自动化程度高。

本发明一实施例的热电阻时间常数测试装置包括可自转的环形水槽1、围设在环形水槽1壁面的控温管10、设置在环形水槽1开口端上方的接近开关2和传动机构3。待测热电阻9连接传动机构3并在传动机构3的引导下沿靠近或远离接近开关2的方向可移动。

具体地，环形水槽1可将其中待测流体提前加热至阶跃的最终温度T_n，热电阻在此进行温度阶跃。控温管10可以包括加热管和制冷管，以实现对环形水槽1进行加热和制冷，从而实现对被测流体的温度控制。

环形水槽1的自转，可通过在环形水槽1的底部设置电机等驱动元件来实现，可通过控制环形水槽1的自转来改变其中被测流体的流速大小。对应地，可环形水槽1开口端上方设置激光多普勒流速仪4，用于测量被测流体的流速，实现流速控制。

控制系统连接传动机构3、控温管10、激光多普勒流速仪4等实现控温控速以及控制待测热电阻9的移动。可根据测试需求设定提前在控制系统中设定预设温度和预设流速。

进一步地，传动机构3可包括竖立在环形水槽1开口端上方的竖向导轨31、用于夹持待测热电阻9并与竖向导轨31滑动连接的夹具32，接近开关2设置在竖向导轨31上。

进一步地，热电阻时间常数测试装置还可包括数据采集器8，数据采集器8可以是高精度多通道数据采集器，分别连接接近开关2和待测热电阻9，接收接近开关2的动作信号以及记录待测热电阻9的温度变化，实时反馈至控制系统。

可同时在夹具32上夹持固定多个待测热电阻9，则对应地，数据采集器8连接多个待测热电阻9，记录多个待测热电阻9的温度变化，提高测试效率。

进一步地，传动机构3还包括与竖向导轨31远离环形水槽1的一端连接的驱动电机33和电磁离合器34。

具体地，电磁离合器34可通过钢丝绳与夹具32连接，驱动电机33配合电磁离合器34可控制夹具32上升和下落，使待测热电阻9沿竖向导轨31可自由落体，浸入被测流体中。

进一步地，竖向导轨31上设置有用于确定夹具32在竖向导轨31上的位置的第一位置开关35，第一位置开关35可用于确定待测热电阻9下落的初始高度。

在一些实施例中，热电阻时间常数测试装置还包括设置在环形水槽1一侧的恒温水槽5。传动机构3还包括与竖向导轨31相垂直的横向导轨6，竖向导轨31滑动连接于横向导轨6，并沿横向导轨6可在靠近或远离恒温水槽5的方向上来回运动。

同理，横向导轨6可一并连接控制系统，以实现控制竖向导轨31在横向导轨6上滑动。对应地，可以在横向导轨6上设置连接竖向导轨31并驱动竖向导轨31沿横向导轨6往复运动的横向驱动电机61，实现驱动竖向导轨31沿横向导轨6的来回运动。

恒温水槽5与环形水槽1可设置在同一水平面上。恒温水槽5内的流体温度可以是室温。步骤S2之前，可将待测热电阻9移动至恒温水槽5处，浸入恒温水槽5进行测试预备，使其温度保持在稳定的初始预备温度。随后再将竖向导轨31沿横向导轨6水平移至一侧的环形水槽1正上方进行测试。

进一步地，横向导轨6上设置有用于确定竖向导轨31在横向导轨6上的位置的第二位置开关60，控制系统接收第二位置开关60的动作信号，以确定竖向导轨31在横向导轨6上的位置。

如图所示，可将横向导轨6水平横向设置在环形水槽1和恒温水槽5的上方。在横向导轨6上对应环形水槽1处、在横向导轨6上对应恒温水槽5处分别设置第二位置开关60，以实现在测试的不同阶段控制竖向导轨31移动时定位在恒温水槽5的正上方或环形水槽1的正上方。

以上仅为本发明的一些具体实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种热电阻时间常数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在环形水槽开口端的上方安装传动机构和接近开关，在所述传动机构上安装待测热电阻；

S2、所述传动机构驱动待测热电阻向靠近环形水槽开口端的一侧下落，并浸入所述环形水槽内的被测流体中，记录起始时刻t₁和阶跃初始温度值T_m；

所述起始时刻t₁为待测热电阻接触到环形水槽内的被测流体且触发所述接近开关的瞬间，所述阶跃初始温度值T_m为对应起始时刻t₁的待测热电阻的温度值；

S3、记录结束时刻t₂、以及在t₁至t₂时间内待测热电阻各个时刻的温度值；

所述结束时刻t₂为待测热电阻的温度值达到阶跃最终温度值T_n的时刻，所述阶跃最终温度值T_n为环形水槽内被测流体的预设温度；

S4、将t₁至t₂时间内各个时刻组成的时间数据集、t₁至t₂时间内待测热电阻各个时刻的温度值组成的温度数据集，依据式(一)、式(二)进行数据拟合，得到时间常数τ：

式(一)中，C(t)为一阶系统传递函数中关于时间t的输出函数，其中时间t对应所述时间数据集，e为自然常数；

式(二)中，C(t)'为待测热电阻在t₁至t₂时间内的温度关于时间t的函数，其中T_i对应所述温度数据集。

2.根据权利要求1所述的热电阻时间常数测试方法，其特征在于，将式(五)进行拉式反变换得到式(一)，依据式(三)、式(四)得到式(五):

其中，s为在复频域中对应时间t的表达；

式(三)中：G(S)为一阶系统的传递函数，C(S)为输出量的拉普拉斯变换，R(S)为输入量的拉普拉斯变换，τ为时间常数；

式(四)为单位阶跃的输入函数，式(五)为对应单位阶跃响应的输出函数。

3.一种热电阻时间常数测试装置，其特征在于，包括可自转的环形水槽、围设在所述环形水槽壁面的控温管、设置在所述环形水槽开口端上方的接近开关和传动机构；

待测热电阻连接所述传动机构并在所述传动机构的引导下沿靠近或远离所述接近开关的方向可移动。

4.根据权利要求3所述的热电阻时间常数测试装置，其特征在于，所述传动机构包括竖立在所述环形水槽开口端上方的竖向导轨、用于夹持所述待测热电阻并与所述竖向导轨滑动连接的夹具，所述接近开关设置在所述竖向导轨上。

5.根据权利要求4所述的热电阻时间常数测试装置，其特征在于，所述传动机构还包括与所述竖向导轨远离所述环形水槽的一端连接的驱动电机和电磁离合器。

6.根据权利要求4所述的热电阻时间常数测试装置，其特征在于，所述竖向导轨上设置有用于确定所述夹具在所述竖向导轨上的位置的第一位置开关。

7.根据权利要求4所述的热电阻时间常数测试装置，其特征在于，所述热电阻时间常数测试装置还包括设置在所述环形水槽一侧的恒温水槽；

所述传动机构还包括与所述竖向导轨相垂直的横向导轨，所述竖向导轨滑动连接于所述横向导轨，并沿所述横向导轨可在靠近或远离所述恒温水槽的方向上来回运动。

8.根据权利要求7所述的热电阻时间常数测试装置，其特征在于，所述横向导轨上设置有用于确定所述竖向导轨在所述横向导轨上的位置的第二位置开关。

9.根据权利要求3-8任一项所述的热电阻时间常数测试装置，其特征在于，所述环形水槽开口端上方设置有激光多普勒流速仪。

10.根据权利要求3-8任一项所述的热电阻时间常数测试装置，其特征在于，所述热电阻时间常数测试装置还包括数据采集器，所述数据采集器分别连接所述接近开关和所述待测热电阻。

Images