CN115824464A - 一种热通量传感器标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热通量传感器标定方法及装置，属于传感器标定技术领域。本发明在热通量传感器需要标定时，只需要对其进行加热即可，不需要将传感器从土壤取出来，通过确定加热引起的热通量传感器的热通量信息以及热通量传感器加热和未加热的输出电压压差就可以计算出标定系数，不用借助于外部的标定设备，且计算简单、标定过程不需要花费太长时间，大大提高了标定效率。

Description

一种热通量传感器标定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种热通量传感器标定方法及装置，属于传感器标定技术领域。

背景技术

热通量传感器运用了热电堆传感器原理测量土壤的能量平衡和热通量，主要采用热电堆测量温度梯度，该热电堆由两种不同的金属材料组成，通过冷、热两端的温差产生温差电势，并以电压的形式输出，传感器的输出电压和热通量成正比，为一个常数热通量系数。对热通量传感器进行标定实质上就是确定传感器的热通量系数，由于热通量传感器在实际环境中工作，其内部材料会有一定程度的消耗，直接影响传感器的热通量系数，故需要定期对热通量传感器进行标定。现有的对热通量传感器标定技术是将一个已知热导率的标准材料和一个传感器与其厚度和热导率相同的材料置于冷热板之间，通过比较的方法进行标定，此方法上存在明显缺陷，标定时需使用专业器械，其成本较大，操作较为复杂，热通量传感器在使用过程中置于冻土层中，取出传感器的过程比较麻烦，标定的效率低，也不能实时的、长期的进行标定。

发明内容

本发明的目的是提供一种热通量传感器标定方法及装置，以解决目前热通量传感器标定过程中存在的标定效率低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种热通量传感器标定方法，该标定方法包括以下步骤：

1)对需要标定的热通量传感器进行加热，获取加热引起的热通量传感器的热通量信息；

2)获取未加热时热通量传感器的电压输出值；

3)根据热通量传感器加热和未加热的输出电压压差与步骤1)中获取的传感器热通量信息确定系数，该系数即为标定系数。

本发明在热通量传感器需要标定时，只需要对其进行加热即可，不需要将传感器从土壤取出来，通过确定加热引起的热通量传感器的热通量信息以及热通量传感器加热和未加热的输出电压压差就可以计算出标定系数，不用借助于外部的标定设备，且计算简单、标定过程不需要花费太长时间，大大提高了标定效率。

进一步地，所述步骤1)中的加热是通过在热通量传感器表面上贴附加热薄膜实现的。

进一步地，加热引起的热通量传感器的热通量信息为加热薄膜产生的热通量的一半。

加热薄膜贴附在热通量传感器上表面，热通量更容易传递给热通量传感器，加热薄膜的热通量一部分向下传递到热通量传感器上，一部分向上扩散出去，只有一半传递给热通量传感器，因此通过对加热薄膜的测量能够获取到热通量传感器准确的热通量信息。

进一步地，需要标定的热通量传感器指的是满足标定条件的任意一个，标定条件为热通量信息超过设定范围和达到维护周期。

通过设定标定的条件，热通量传感器不会频繁标定影响正常使用或长时间不进行标定出现问题导致测量误差。

进一步地，未加热热通量传感器的电压输出值为加热前的输出电压值、加热完静置后的电压输出值或加热前的输出电压和加热完静置后的输出电压的均值。

本发明提供了三种未加热的热通量传感器的电压输出值的测量方式，即加热前的输出电压值、加热完静置后的电压输出值或加热前的输出电压和加热完静置后的输出电压的均值。根据实际需求可以灵活选择这三种方式，为提高测量的准确性，可以采用的方式是加热前的输出电压和静置后的输出电压的均值；为节省标定时间，可以选择加热前的输出电压值或加热完静置后的电压输出值。

本发明还提供了一种热通量传感器标定装置，包括加热器、处理器、采集器和供电模块，包括加热器、处理器、采集器和供电模块，所述加热器用于对需要标定的热通量传感器进行加热，并将加热信息通过采集器传输给处理器；所述供电模块用于为处理器和加热器供电；所述处理器用于控制加热器对需要标定的热通量传感器进行加热，根据接收到加热信息计算加热引起的热通量传感器的热通量信息，并根据计算出的热通量传感器的热通量信息以及热通量传感器加热和未加热的输出电压压差进行系数计算，计算出的系数即为标定系数。

本标定装置包含的设备有加热器、处理器、采集器和供电模块，均比较容易得到，所有的设备都可在市面上购买，不存在昂贵的专业设备，节约了资金成本，在标定过程中，处理器控制加热器对需要标定的热通量传感器进行加热，根据接收到加热信息计算加热引起的热通量传感器的热通量信息，并根据计算出的热通量传感器的热通量信息以及热通量传感器加热和未加热的输出电压压差进行系数计算，完成标定，整个标定过程不需要人工操作，节省人力成本，且供电模块为处理器和加热器供电，保证了本装置可以长时间进行标定任务。

进一步地，所述加热器为贴附在热通量传感器上表面的加热薄膜。

由于加热薄膜能够贴附在热通量传感器上表面，加热器的热通量一部分向下传递到热通量传感器上，一部分向上扩散出去，只有一半传递给热通量传感器，因此通过对加热薄膜的测量能够获取到热通量传感器准确的热通量信息。

进一步地，所述供电模块为太阳能发电装置。

由于热通量传感器一般埋在没有市电供电的野外环境中，因此，本发明的供电模块采用太阳能发电装置，供电模块为整个标定过程所用设备进行供电，能够长期进行标定。

进一步地，所述处理器通过判断热通量传感器是否满足标定条件来判断是否需要对热通量传感器进行标定，所述标定条件包括热通量信息超过设定范围和达到维护周期，满足任意一个，则说明该热通量传感器需要进行标定。

通过处理器判断热通量传感器是否满足提前设定的标定条件，可以有效避免热通量传感器频繁标定影响正常使用和长时间不进行标定出现问题导致测量误差。

进一步地，所述处理器在计算标定系数时所用的未加热的热通量传感器的电压输出值为加热前的输出电压值、加热完静置后的电压输出值或加热前的输出电压和加热完静置后的输出电压的均值。

处理器在计算标定系数时，为未加热的热通量传感器的电压输出值提供了三种方法，采用加热前的输出电压和静置后的输出电压的均值这种方法可以提高测量的准确性；选择加热前的输出电压值或加热完静置后的电压输出值可以节省标定时间，处理器根据实际需求可以灵活选择这三种方法。

附图说明

图1是发明热通量传感器标定装置结构示意框图；

图2是发明冻土热通量传感器标定方法的流程图；

图3是发明实施例中标定装置结构示意图；

其中：1为避雷针；2为立杆；3为机箱；4为太阳能发电装置；5为加热器；6为热通量传感器；7为第二热通量传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

标定方法的实施例

本发明首先获取当前的热通量信息，将获取的热通量信息进行判断，超出正常范围或周期维护时开始自动标定，中断土壤热通量正常测量，然后获取未加热时传感器输出电压，开启加热器对传感器进行一段时间的加热后，停止加热，并采集传感器的输出电压和停止加热前流过加热器的电流，再静置一段时间后，采集传感器的输出电压，根据热通量系数计算公式计算出新的热通量系数，存储新的热通量系数，完成对传感器的标定。该方法的实现流程如图2所示，具体实例步骤如下：

一、判断是否需要对热通量传感器进行标定。

热通量传感器在使用时一般埋在冻土里，用于对实现对冻土层的测量，若频繁标定则必定会影响热通量传感器的正常使用，若长时间未标定或者热通量传感器突然出现问题，都会导致测量结果不可靠。

因此本发明设置了两个条件，满足任何一个都需要进行标定。

条件1：热通量信息超过设定范围；

条件2：达到维护周期(上次标定完成后的热通量传感器的工作时长)。

获取热通量传感器的输出电压U_C，根据传感器的输出电压和热通量成正比，根据存储的热通量系数K₁，得到当前土壤的热通量信息Ф＝U_C/K₁，将传感器当前得到的热通量信息与设定范围进行比较，若超过设定范围，则说明当前传感器检测的热通量信息异常，需要重新标定。这里的设定范围可通过该区域最近一段时间的热通量信息的最大值和最小值确定，若超过最大值或者小于最小值，则认为是超范围；作为其他实施方式，这里的设定范围也可以采用其他方式确定，例如该区域同期历史时段的热通量信息。

记录每次标定的时间，将当前时间与最近的标定时间进行比较，若超过维护周期，则也需要进行标定，这里的维护周期可以根据传感器的实际情况确定。

二、对需要标定的热通量传感器进行加热，并确定加热引起的热通量传感器的热通量大小。

1)中断土壤热通量的正常测量。

当热通量传感器需要标定时，为提高标定的准确性，需中断土壤热通量的正常测量，即关闭热通量传感器，例如可关闭传感器至少360秒。

2)对热通量传感器进行加热，获取传感器的热通量信息。

本发明通过在热通量传感器表面上设置加热器实现对热通量传感器的加热，本实施例中的加热器设置在热通量传感器的上表面，采用的是加热薄膜，即可将加热薄膜贴附在热通量传感器的上表面在关闭热通量传感器设定时间后开启加热器对其进行加热，本发明在加热时，附在传感器上方的加热器对传感器持续加热，加热器的热通量一部分向下传递到热通量传感器上，一部分向上扩散出去，因此只有一半传递给热通量传感器，由此可通过加热器的功率计算得到传感器的热通量信息。具体的计算过程如下：

为确保加热效果，本发明在对热通量传感器进行加热时需要保证加热时长，使加热过程持续一定时间，例如可以是180s。在加热过程中测量加热器的电压U_T1，根据加热器串联的已知阻值的电阻计算加热电流，进而可计算出加热器的加热功率。本实施例中的加热电流是通过算出与加热器串联的已知阻值的一个电阻的电流值，算得加热器的电流值，例如该电阻得阻值为R₁,测得该电阻两侧的电压值为U₁，加热器的电流值为U₁/R₁。

由于本实施例中的加热器采用的是加热薄膜，且是贴附在热通量传感器的表面，可确定加热薄膜的面积，根据加热薄膜的面积以及加热功率，就可以得到加热器的热通量信息，具体计算公式如下：

加热器产生的热通量公式Φ＝P_加热器/S_加热器，其中P为单位时间内传递的热量(W)，S为热量传递面积，当使用加热器时，单位时间内加热器产生的热量：

P＝I²*R_加热器＝(U₁/R₁)²*R_加热器

Ф＝(U₁ ²*R_加热器)/(R₁ ²*S)

由于加热器的热通量的一半传递给热通量传感器，因此在加热过程中热通量传感器检测到热通量信息为1/2Ф。

为避免环境造成的影响，可采用多组加热测量，例如在距离该热通量传感器5m处安装同样的一组传感器装置。

三、基于加热前后的热通量传感器数值确定热通量系数，实现对热通量传感器的标定。

通过步骤二可以得到加热导致的热通量传感器的热通量信息，该热通量信息与热通量传感器加热前后的电压差成正比，未加热的输出电压可以是关闭热通量传感器再次开启后采集到的输出电压信息，也可以是加热后静置一段时间后的输出电压信息，本发明为提高精准性，未加热的输出电压值为加热前的输出电压和静置后的输出电压的均值。因此需关闭加热器，将传感器静置一段时间后，采集静置后传感器的输出电压U_T1+T2。得到加热前后传感器的输出电压之差U。

热通量传感器未加热和加热后的输出电压之差U公式为：

U＝U_T1-0.5*(U₀+U_T1+T2)

根据传感器未加热和加热后的输出电压之差U和传感器的热通量1/2Ф成正比，算得新的热通量系数K₂：

K₂＝2*U/Ф＝2*U*R₁ ²*S/(U₁ ²*R_加热器)

将新的热通量系数K₂存储，完成对传感器的标定。

通过上述过程，本发明只需要对热通量传感器进行加热，获取有效数据进行分析处理即可完成标定，标定过程简单，节省了标定时间，有效提高标定效率。同一区域采取对多个热通量传感器同时进行加热测量，避免了环境的影响，减小测量误差，有效提高标定的准确度。热通量传感器只需放在土壤里，只需要加热器、处理器等简单的辅助设备就可以完成标定，有效节约了成本。

标定装置的实施例

本发明的热通量传感器的标定装置包括有用于设置在热通量传感器6上的加热器5、处理器和辅助设备，辅助设备包括有供电模块、采集器、存储器和通讯模块。如图1所示，处理器通过采集器与热通量传感器和加热器连接，采集热通量传感器和加热器信息，通过控制热通量传感器和加热器；供电模块用于为处理器、加热器等设备进行供电；存储器与处理器连接，用于存储所采集的所有热通量信息和标定后的热通量系数，可以长时间储存信息，产生历史数据，有利于处理器在确定是否满足标定条件时与当前热通量信息进行对比分析；通讯模块，可以是有线通信模块，也可以是无线通信模块，用于将采集到的热通量信息和标定过程中产生的数据通过网络传输到云平台，方便远程监控数据。

加热器用于为待标定的热通量传感器提供热通量信息，为了精确的确定加热器为热通量传感器提供热通量信息，本发明的中加热器5采用薄膜加热器，该薄膜加热器在使用时可贴附在待标定热通量传感器的上表面，由于薄膜加热器非常薄，因此其加热产生的热量可以默认为只沿薄膜的上下表面传递，因此，其产生的热量一半向下传递到热通量传感器上，一半向上扩散出去，通过计算加热器的热通量，就可以准确得到热通量传感器检测到的热通量。

处理器根据采集到的热通量传感器的热通量信息以及上次的标定时间判断该热通量传感器是否需要标定，并在判断出需要标定时运行标定程序：控制热通量传感器中断测量，并在中断设定时间后控制加热器开启；计算加热器产生的热通量信息，以此得到热通量传感器的热通量信息；根据传感器加热前后的输出电压压差和热通量传感器的热通量成正比的关系，确定要热通量传感器的系数，该系统即为标定后系数，并将其储存在储存器中，完成标定。具体标定流程如图2所示，已在方法实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

为了进一步提高标定的准确性，本发明在标定时，可进行两组以上的标定，例如，如图3所示，在需要对热通量传感器6进行标定时，可选用另一个热通量传感器，记为第二热通量传感器7，第二热通量传感器7和热通量传感器6埋在相同深度的土壤中(如5cm)，且第二热通量传感器7与热通量传感器6距离相近(如5m)，通过对第二热通量传感器7与热通量传感器6同时进行加热测量，经过结果的对比分析，提高准确性。

由于热通量传感器一般埋在没有市电供电的野外环境中，因此，本发明的供电模块采用太阳能发电装置，如图3所示，该太阳能发电装置4的太阳能板安装在立杆2上，立杆2的长度为3m左右，立杆还装有机箱3和避雷针1，机箱3内安放处理器、采集器、存储器和通讯模块这些设备，由于机箱3为一个密闭的空间，达到良好的防水防风效果，避雷针安装在立杆顶部，有效避免雷电对该装置的损坏。

Claims (10)

1.一种热通量传感器标定方法，其特征在于，该标定方法包括以下步骤：

1)对需要标定的热通量传感器进行加热，获取加热引起的热通量传感器的热通量信息；

2)获取未加热时热通量传感器的电压输出值；

3)根据热通量传感器加热和未加热的输出电压压差与步骤1)中获取的传感器热通量信息确定系数，该系数即为标定系数。

2.根据权利要求1所述的热通量传感器标定方法，其特征在于，所述步骤1)中的加热是通过在热通量传感器表面上贴附加热薄膜实现的。

3.根据权利要求2所述的热通量传感器标定方法，其特征在于，加热引起的热通量传感器的热通量信息为加热薄膜产生的热通量的一半。

4.根据权利要求1或2所述的热通量传感器标定方法，其特征在于，需要的标定的热通量传感器指的是满足标定条件的任意一个，标定条件为热通量信息超过设定范围和达到维护周期。

5.根据权利要求1或2所述的热通量传感器标定方法，其特征在于，未加热热通量传感器的电压输出值为加热前的输出电压值、加热完静置后的电压输出值或加热前的输出电压和加热完静置后的输出电压的均值。

6.一种热通量传感器标定装置，其特征在于，包括加热器、处理器、采集器和供电模块，所述加热器用于对需要标定的热通量传感器进行加热，并将加热信息通过采集器传输给处理器；所述供电模块用于为处理器和加热器供电；所述处理器用于控制加热器对需要标定的热通量传感器进行加热，根据接收到加热信息计算加热引起的热通量传感器的热通量信息，并根据计算出的热通量传感器的热通量信息以及热通量传感器加热和未加热的输出电压压差进行系数计算，计算出的系数即为标定系数。

7.根据权利要求6所述的热通量传感器标定装置，其特征在于，所述加热器为贴附在热通量传感器上表面的加热薄膜。

8.根据权利要求6所述的热通量传感器标定装置，其特征在于，所述供电模块为太阳能发电装置。

9.根据权利要求6所述的热通量传感器标定装置，其特征在于，所述处理器通过判断热通量传感器是否满足标定条件来判断是否需要对热通量传感器进行标定，所述标定条件包括热通量信息超过设定范围和达到维护周期，满足任意一个，则说明该热通量传感器需要进行标定。

10.根据权利要求6所述的热通量传感器标定装置，其特征在于，所述处理器在计算标定系数时所用的未加热的热通量传感器的电压输出值为加热前的输出电压值、加热完静置后的电压输出值或加热前的输出电压和加热完静置后的输出电压的均值。

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