CN204501718U - 一种可缩短测温时间的测温装置和智能奶瓶套 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可缩短测温时间的测温装置和智能奶瓶套，其中，所述测温装置包括PCB板、红外热电堆传感器和用于传导被测物体热量的金属套，所述红外热电堆传感器和金属套均设置在所述PCB板上，所述红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央。所述红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央，使被测物体的热量可以通过该金属套迅速的传导到红外热电堆传感器上，缩短了测温时间，同时，由于测温时间短，也减小了红外热电堆传感器自身热辐射和外界环境对测温的影响，提高了测温的准确度。

Description

一种可缩短测温时间的测温装置和智能奶瓶套

技术领域

本实用新型涉及温度测量领域，特别涉及一种可缩短测温时间的测温装置和智能奶瓶套。

背景技术

现有利用红外热电堆传感器测温的方法和装置中，通常在测得热电堆的环境温度和热电堆产生的电压后，根据斯特藩-玻尔兹曼定律来计算被测物体的温度。然而，被测物体与红外热电堆传感器之间通常间隔一定的距离(非接触式测量)，由于空气的导热性不佳，仅靠红外线导热速度较慢，使得测温时间较长，影响了测温的准确度。

而且，测温的外界环境并不是理想的常温环境，外界温度通常是时刻变化的，而且，热电堆在测温时自身也会往外辐射能量，这些都会影响到测温的准确性。现有的测温算法中，测温参数均使用经验常数，无法根据外界环境的变化做出调整，更没有方法来校准测温参数，因此，现有的测温方法和装置，其精度有待提高。

因而现有技术还有待改进和提高。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种可缩短测温时间的测温装置和智能奶瓶套，通过提高被测物体传递热量的速度，缩短了测温时间，提高了测温的准确性。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种可缩短测温时间的测温装置，包括PCB板、红外热电堆传感器和用于传导被测物体热量的金属套，所述红外热电堆传感器和金属套均设置在所述PCB板上，所述红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央。

所述的可缩短测温时间的测温装置中，所述金属套的顶部和底部均开有圆口。

所述的可缩短测温时间的测温装置中，所述金属套为铜套。

所述的可缩短测温时间的测温装置中，所述金属套呈喇叭状，金属套的顶部面积大于底部面积。

所述的可缩短测温时间的测温装置中，所述金属套的顶部的内径为11.5mm，所述金属套的底部的内径为5.5mm，所述金属套的壁厚为0.5mm。

所述的可缩短测温时间的测温装置中，所述测温装置还包括用于防止所述金属套热量散失的保温套，所述保温套罩设在所述金属套上。

所述的可缩短测温时间的测温装置中，所述保温套顶部开有与所述金属套顶部大小相同的孔。

一种智能奶瓶套，包括底座，还包括如上所述的可缩短测温时间的测温装置。

相较于现有技术，本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置和智能奶瓶套，通过将红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央，使被测物体的热量可以通过该金属套迅速的传导到红外热电堆传感器上，缩短了测温时间，还隔绝了外部环境(其他红外线)的干扰和影响，同时，由于测温时间短，也减小了红外热电堆传感器自身热辐射和外界环境对测温的影响，提高了测温的准确度。

附图说明

图1为本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置的立体图。

图2为本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置的剖面图。

图3为本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置的结构框图。

图4为本实用新型提供的可缩短测温时间的测温方法的流程图

图5为本实用新型提供的可缩短测温时间的测温方法中，步骤S40的具体方法流程图。

具体实施方式

本实用新型提供一种可缩短测温时间的测温装置和智能奶瓶套，在被测物体和红外热电堆传感器之间设置一个用于传导被测物体热量的金属套，提高了红外热电堆传感器获取被测物体热量的速率，缩短了测温时间，提高了测温的准确性。

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置，包括PCB板10、红外热电堆传感器20和用于传导被测物体热量的金属套30，所述红外热电堆传感器20和金属套30均设置在所述PCB板10上，所述红外热电堆传感器20设置在所述金属套30底部的中央。所述金属套30的顶部和底部均开有圆口，所述金属套30底部开圆口用于放置红外热电堆传感器20，所述金属套30顶部开圆口有利于将被测物体辐射的红外线导入到红外热电堆传感器20上。所述金属套30的设置，使被测物体的热量可以通过该金属套30迅速的传导到红外热电堆传感器20上，缩短了测温时间，还隔绝了外部环境(其他红外线)的干扰和影响，同时，由于测温时间短，也减小了红外热电堆传感器20自身热辐射和外界环境对测温的影响，提高了测温的准确度。

进一步的，所述金属套30为铜套，所述铜套呈喇叭状，铜套的顶部面积大于底部面积。所述金属套30采用黄铜材质，其自身由于材质原因，不产生红外线，避免了金属套30自身干扰红外热电堆传感器20，提高了红外热电堆传感器20测温的准确性。优选的，所述铜套的顶部的内径为11.5mm，所述铜套的底部的内径为5.5mm，所述铜套的壁厚为0.5mm。

请参阅图2，本实用新型提供的测温装置还包括用于防止所述金属套30热量散失的保温套40，所述保温套40罩设在所述金属套30上。所述保温套40可以避免金属套30在测温过程中的热量散失，使所述金属套30内的温度接近被测物体的温度，最大限度的减小了外界环境对红外热电堆传感器20的影响，提高了测温的精确性。进一步的，所述保温套40顶部开有与所述金属套30顶部大小相同的孔，以便于被测物体的红外线直接传递到红外热电堆传感器20上。

基于上一实施例，本实用新型还一种智能奶瓶套，包括底座和如上所述的可缩短测温时间的测温装置。由于智能奶瓶套的测温装置和特征在上一实施例里已详细阐述，在此不再赘述。

请参阅图3，本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置，还包括：参数获取模块50、校准模块60和计算模块70。在测温时，所述被测物体放置在红外热电堆传感器20的正上方。

所述红外热电堆传感器20具有高精度、高灵敏度、低反应时间等特点，可运用在各种环境的测温中。所述红外热电堆传感器20中，热电堆吸收在感测范围内被测物体发出的红外能量(热量)，热电堆产生的电压代表了红外能量。故可以通过热电堆产生的电压经过一系列计算后，得出被测物体的温度。

参数获取模块50，用于获取红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器20产生的电压。所述红外热电堆传感器20的环境温度为红外热电堆传感器20自身的温度，具体为红外热电堆传感器20中热电堆的温度。红外热电堆传感器20产生的电压为被测物体放置在红外热电堆传感器20正上方后，热电堆接收到被测物体辐射的能量后产生的电压。

校准模块60，用于根据所述环境温度和电压，校准测温参数。

计算模块70，用于根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数，计算被测物体的实际温度。

进一步的，所述本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置中，所述计算模块70具体用于：

根据红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算整个测温过程的系统参数S：

S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器20产生的电压计算热电堆自身的热辐射V_OS：

V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器20产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(V_OBJ)：

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²；

根据红外热电堆传感器20的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数，计算被测物体的实际温度T_OBJ：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)};$

其中，所述a₁、a₂和c₂为常数，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数；所述V_OBJ为红外热电堆传感器20产生的电压；T_DIE为红外热电堆传感器20的环境温度；所述T_REF为常温，具体为298.15K(25℃)；公式中温度的单位均为开尔文。

所述计算模块70运用的计算公式的理论依据是：斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)：一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)与黑体本身的热力学温度T(又称绝对温度)的四次方成正比。设被测物体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量为E_Red，则根据斯特藩-玻尔兹曼定律有：其中，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，σ＝5.7×10^-12W/cm²/K⁴。ε为被测物体的发射率，指被测物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，又称为黑度。

所述V_OBJ为红外热电堆传感器20热电堆产生的电压，V_OBJ近似等于红外热电堆传感器热电堆吸收的全部热量减去自身辐射的热量，需要说明的是，热电堆吸收的全部热量即为被测物体辐射出的总能量E_Red，即本实用新型近似认为热电堆已完全吸收被测物体辐射出的总能量。则有由此可以推导出被测物体的温度为：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\frac{V_{\mathrm{OBJ}}}{\mathrm{\ϵ\σ}}}{,T}_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)}.$

其中，S是整个测温的系统参数，该参数包含环境变化，热源辐射特性等因素对热电堆的影响，即所述系统参数S包含有εσ，还包含环境变化，热源辐射特性等因素对热电堆的影响。所述f(V_OBJ)与V_OBJ有映射关系(具体见公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²)，而所述系统参数S使得f(V_OBJ)为热红外辐射过来的量值，即被测物体辐射出来的能量，其去除了周边物体的热辐射及热传导的影响，与接收到被测物体的辐射存在一个映射关系，被测物温度升高时，f(V_OBJ)也相应升高，反之减少。V_OS是热电堆自身的热辐射，b₀、b₁和b₂是环境温度对V_OS的影响因子，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数，需要经过校准。所述a₁，a₂，c₂是红外热电堆传感器的参数，其值为常数。所述常数a₁、a₂和c₂的具体值为：a₁＝1.75×e-3，a₂＝-1.68×e-5，c₂＝13.4。

进一步的，本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置中，所述校准模块60具体用于：

将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为：

b₀＝-2.94×e-5，b₁＝-5.7×e-7，b₂＝4.78×e-9，s₀＝6×e-14；

根据红外热电堆传感器产生的电压V_OBJ，红外热电堆传感器的环境温度T_DIE，和公式 $T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)},$ 计算得出f(V_OBJ)的值；

依计算得到的f(V_OBJ)的值和公式

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，计算得出热电堆自身的热辐射V_OS；

根据公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]，对V_OS和(T_DIE-T_REF)进行二项式拟合，得出测温参数b₀、b₁、b₂的值；

根据计算得出的测温参数b₀、b₁、b₂的值，由公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]重新计算出V_OS的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，重新计算出f(V_OBJ)的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S和公式S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，得出公式(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S₀＝f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀，具体的，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)计算出的值和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]计算出的值进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀；

对测温参数b₀、b₁、b₂和S₀进行迭代计算40次，得出最终的测温参数。换而言之，利用测温参数的初始值，计算测温参数b₀、b₁、b₂和S₀，并用计算得到的测温参数，替换掉原来的测温参数，并依此循环计算40次，得到最终的测温参数。

本实用新型提供的可缩短测温时间的测温装置，通过设置金属套，使被测物体的热量可以通过该金属套迅速的传导到红外热电堆传感器上，缩短了测温时间，还隔绝了外部环境(其他红外线)的干扰和影响，同时，由于测温时间短，也减小了红外热电堆传感器自身热辐射和外界环境对测温的影响，提高了测温的准确度。而且，所述测温装置只需获取红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器20产生的电压，即可校准测温参数，并利用校准参数和、红外热电堆传感器20的环境温度和其产生的电压计算出被测物体的温度，使温度测量变得简单而又精确。

基于上一实施例提供的可缩短测温时间的测温装置，本实用新型还对应提供一种可缩短测温时间的测温方法，请参阅图4，所述方法包括步骤：

S10、在被测物体和红外热电堆传感器之间设置一个用于传导被测物体热量的金属套。所述金属套呈喇叭状，金属套的顶部面积大于底部面积。

S20、获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压。

S30、根据所述环境温度和电压，校准测温参数。

S40、根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数，计算被测物体的实际温度。

请参阅图5，所述步骤S40具体包括：

S410、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算整个测温过程的系统参数S，该参数包含环境变化，热源辐射特性等因素对热电堆的影响，所述系统参数S的具体计算公式如下：

S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]；

S420、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热电堆自身的热辐射V_OS：

V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]；

S430、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(V_OBJ)：

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²；

S440、根据红外热电堆传感器的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数，计算被测物体的实际温度T_OBJ：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)};$

其中，所述a₁、a₂和c₂为常数，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数；所述V_OBJ为红外热电堆传感器产生的电压；T_DIE为红外热电堆传感器的环境温度；所述T_REF为常温，具体为298.15K(25℃)；公式中温度的单位均为开尔文。

所述步骤S40具体计算公式的理论依据是斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)：一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)与黑体本身的热力学温度T(又称绝对温度)的四次方成正比。设被测物体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量为E_Red，则根据斯特藩-玻尔兹曼定律有：其中，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，σ＝5.7×10^-12W/cm²/K⁴。ε为被测物体的发射率，指被测物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，又称为黑度。

所述V_OBJ为红外热电堆传感器热电堆产生的电压，V_OBJ近似等于红外热电堆传感器热电堆吸收的全部热量减去自身辐射的热量，需要说明的是，热电堆吸收的全部热量即为被测物体辐射出的总能量E_Red，即本实用新型近似认为热电堆已完全吸收被测物体辐射出的总能量。则有由此可以推导出被测物体的温度为：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\frac{V_{\mathrm{OBJ}}}{\mathrm{\ϵ\σ}}}{,T}_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)}.$

其中，b₀、b₁和b₂是环境温度对V_OS的影响因子，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数，需要经过校准。所述a₁，a₂，c₂是红外热电堆传感器的参数，其值为常数。所述常数a₁、a₂和c₂的具体值为：a₁＝1.75×e-3，a₂＝-1.68×e-5，c₂＝13.4。

进一步的，所述步骤S30具体包括：

S310、将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为：

b₀＝-2.94×e-5，b₁＝-5.7×e-7，b₂＝4.78×e-9，s₀＝6×e-14。

S320、根据红外热电堆传感器产生的电压V_OBJ，红外热电堆传感器的环境温度T_DIE，和公式 $T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)},$ 计算得出f(V_OBJ)的值。具体的，计算f(V_OBJ)的公式为：f(V_OBJ)＝(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S。

S330、依计算得到的f(V_OBJ)的值和公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，计算得出热电堆自身的热辐射V_OS。计算V_OS的公式为：

$V_{\mathrm{OS}}=V_{\mathrm{OBJ}}-\left(\frac{-1+{(1+4\×c_2\×f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right))}^{0.5}}{2\×c_2}\right).$

S340、根据公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]，对V_OS和(T_DIE-T_REF)进行二项式拟合，得出测温参数b₀、b₁、b₂的值；以此次计算得到的b₀、b₁、b₂的值，将原来设置的初始值替换掉。

S350、根据计算得出的测温参数b₀、b₁、b₂的值，由公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]重新计算出V_OS的值。

S360、根据公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，重新计算出f(V_OBJ)的值。

S370、根据公式f(V_OBJ)＝(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S和公式S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，得出公式(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S₀＝f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀，具体的，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)计算出的值和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]计算出的值进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀。

S380、循环步骤S320-S370进行迭代计算40次，逐步逼近计算出最优化的测温参数b₀、b₁、b₂和S₀；换而言之，利用步骤S310中的测温参数的初始值，计算测温参数b₀、b₁、b₂和S₀，并用计算得到的测温参数，替换掉原来的测温参数，并依此循环计算40次，得到最终的测温参数。

由于本实用新型提供的可缩短测温时间的测温方法的原理和特点已在上一实施例中详细阐述，在此不再赘述。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种可缩短测温时间的测温装置，其特征在于，包括PCB板、红外热电堆传感器和用于传导被测物体热量的金属套，所述红外热电堆传感器和金属套均设置在所述PCB板上，所述红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央。

2.根据权利要求1所述的可缩短测温时间的测温装置，其特征在于，所述金属套的顶部和底部均开有圆口。

3.根据权利要求1所述的可缩短测温时间的测温装置，其特征在于，所述金属套为铜套。

4.根据权利要求1所述的可缩短测温时间的测温装置，其特征在于，所述金属套呈喇叭状，金属套的顶部面积大于底部面积。

5.根据权利要求4所述的可缩短测温时间的测温装置，其特征在于，所述金属套的顶部的内径为11.5mm，所述金属套的底部的内径为5.5mm，所述金属套的壁厚为0.5mm。

6.根据权利要求1所述的可缩短测温时间的测温装置，其特征在于，所述测温装置还包括用于防止所述金属套热量散失的保温套，所述保温套罩设在所述金属套上。

7.根据权利要求6所述的可缩短测温时间的测温装置，其特征在于，所述保温套顶部开有与所述金属套顶部大小相同的孔。

8.一种智能奶瓶套，包括底座，其特征在于，还包括如权利要求1-7任意一项所述的可缩短测温时间的测温装置。