專利名稱：基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度測(cè)量裝置，特別是一種基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)。它從測(cè)量傳熱過(guò)程初期的溫度數(shù)值和相應(yīng)導(dǎo)數(shù)值，削去包含在這些可測(cè)量變量中的系統(tǒng)熱參數(shù)如測(cè)溫探頭的質(zhì)量、待測(cè)溫物的集中參數(shù)質(zhì)量和二者相應(yīng)的比熱容，溫度計(jì)與被測(cè)溫物之間的熱耦合參數(shù)等，從而依靠少數(shù)溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)，快速外推出待測(cè)溫物表面深層處穩(wěn)定不變溫度的普適型接觸測(cè)溫的溫度計(jì)。
在接觸測(cè)溫過(guò)程中，人們總是根據(jù)熱平衡原理進(jìn)行溫度測(cè)量。即溫度計(jì)與待測(cè)溫物體接觸足夠長(zhǎng)時(shí)間后，二者溫度相等，根據(jù)溫度計(jì)本身某個(gè)與溫度一一對(duì)應(yīng)的特性參數(shù)的變化，指示出溫度計(jì)本身溫度的數(shù)值。用這種測(cè)溫方法得到的溫度數(shù)值與測(cè)溫計(jì)的特性及溫度計(jì)與待測(cè)溫物之間的接觸方式無(wú)關(guān)，即與所用的溫度計(jì)無(wú)關(guān)、與測(cè)溫的方式無(wú)關(guān)。根據(jù)熱平衡原理做出的溫度計(jì)，都是普適型溫度計(jì)。
要提高基于熱平衡原理的溫度計(jì)的測(cè)溫速度，只有①減小溫度計(jì)的質(zhì)量和比熱容，以減小溫度計(jì)的熱慣性，使溫度計(jì)的溫度迅速變化；②加大溫度計(jì)與待測(cè)溫物之間的熱耦合，以加大單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，縮短熱傳導(dǎo)過(guò)程。但這類(lèi)溫度計(jì)的指示不穩(wěn)定，易于在環(huán)境溫度微小改變的條件下，指示出不同的溫度值。所以用改變上述兩類(lèi)條件的辦法以縮短測(cè)溫時(shí)間做出的溫度計(jì)，到一定限度以后就沒(méi)有實(shí)用價(jià)值了。
為了大幅度縮短接觸型測(cè)溫裝置的測(cè)溫時(shí)間，人們?cè)脺囟葌鞲衅髋c待測(cè)溫物體接觸時(shí)，在溫度傳感器的溫度變化過(guò)程中測(cè)得的一些溫度點(diǎn)，再利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，做溫升曲線的曲線擬合，再用擬合曲線外推出終溫，如文獻(xiàn)US 4541734、EP 0338076等中所述的那樣。正是因?yàn)槭亲魅€擬合，為了減小測(cè)量誤差，必須在較大的區(qū)間內(nèi)作多點(diǎn)采樣，這使得測(cè)量時(shí)間不能很短；溫度傳感器與待測(cè)溫物之間的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于那些比熱容較小，質(zhì)量較小的待測(cè)溫物，將導(dǎo)至溫度較大的下降，從而引出另一個(gè)描寫(xiě)待測(cè)物溫度的狀態(tài)方程。問(wèn)題變成了聯(lián)立求解溫度傳感器和待測(cè)溫物兩個(gè)狀態(tài)的聯(lián)立方程組，使得問(wèn)題更加復(fù)雜，計(jì)算量增大。文獻(xiàn)EP 0338076中詳細(xì)討論了此情況。另外，由于動(dòng)用了價(jià)格較貴的計(jì)算機(jī)，從而不利于它作為普通測(cè)溫工具的廣泛使用。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是，當(dāng)溫度計(jì)的測(cè)溫探頭與待測(cè)溫物接觸時(shí)，若二者的溫度不相等，就會(huì)有熱量的傳送，使得探頭的溫度發(fā)生變化。探頭溫升曲線的形狀由二者的比熱容、質(zhì)量以及二者之間的熱耦合系數(shù)決定，溫升曲線中包含了這些參數(shù)。因而可以用溫升曲線前段上的少數(shù)測(cè)量值，取代這些參數(shù)。使得溫度的測(cè)量值與溫度計(jì)及待測(cè)溫物的特性參數(shù)無(wú)關(guān)，使得這種溫度計(jì)成為普適性溫度計(jì)。并達(dá)到了快速測(cè)溫的目的。
本發(fā)明的目的是不從熱平衡原理、而從傳熱過(guò)程出發(fā)，不做全曲線的擬合，而從描寫(xiě)傳熱過(guò)程的線性常微分方程出發(fā)，在線性外推中利用從溫升曲線中得到的少量數(shù)據(jù)，消去傳熱系統(tǒng)中各自的比熱容、質(zhì)量、和相互間的熱耦合系數(shù)等參數(shù)，再利用價(jià)格低廉的單片機(jī)做簡(jiǎn)單的計(jì)算，外推出終溫。這種線性外推計(jì)算可以簡(jiǎn)化計(jì)算、縮短檢測(cè)時(shí)間、提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)的技術(shù)依據(jù)是當(dāng)測(cè)溫探頭與某一待測(cè)溫物體接觸時(shí)，若測(cè)溫探頭的溫度小于待測(cè)溫物體的溫度，并且測(cè)溫探頭除去與待測(cè)物表面接觸的小面積之外，其余部分都覆蓋絕熱層，以減小探頭對(duì)環(huán)境的熱損失。探頭如圖2所示，其中1是溫度傳感器，2是引線，3是絕熱頭，4是絕熱套，5是彈簧，它保持傳感器在檢測(cè)過(guò)程中與被測(cè)物表面之間的壓力不變，以保持在兩個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)之間二者的熱耦合系數(shù)不變，6是手柄。如此測(cè)溫探頭的溫度狀態(tài)就由一階線性常微分方程組m1c1dθdt=k1(Ts-θ)-k2(θ-T)---(1)]]>m2c2dTdt=k2(θ-T)---(2)]]>描寫(xiě)。式中Ts是待測(cè)溫物中距表面有一定深度內(nèi)部處的溫度，m1是待測(cè)溫物表面與測(cè)溫探頭接觸面及距此表面一定深度附近處一小塊物體的集中參數(shù)質(zhì)量，c1是這一小塊物體的集中參數(shù)比熱容，k1是被測(cè)溫點(diǎn)表面深處與待測(cè)溫點(diǎn)表面之間的熱耦合系數(shù)，θ是測(cè)溫物的表面溫度；m2是測(cè)溫探頭的質(zhì)量，c2是測(cè)溫探頭的比熱容，k2是測(cè)溫探頭與待測(cè)溫物表面之間的熱耦合系數(shù)，T是測(cè)溫探頭的溫度。
將(1)式變形為m1c1dθdt+(k1+k2)θ=k2T+k1Ts]]>后再變形為k2T+k1Ts=m1c1e-k2+k1m2c2tddt[ek2+k1m2c2tθ];]]>而后將(2)式變形為m2c2e-k2m2c2tddt[ek2m2c2tT]=k2θ,]]>將此式中的θ代入前式，便得到以 為變?cè)某Ｏ禂?shù)二階常微分方程(ek1+k2m1c1θ)′′+(k1+k2m1c1-k2m2c2)(ek1+k2m1c1tθ)′-k22m1m2c1c2(ek1+k2m1c1tθ)-k1k2Tsm1m2c1c2ek1+k2m1c1t=0]]>根據(jù)常微分方程的一般理論，這個(gè)方程的函數(shù) 有特解 或θ＝Ts將這個(gè)特解代入式(2)，便可解出溫度計(jì)探頭溫度方程的通解為T(mén)=Ae-k1+k2m1c4t+Ts---(3)]]>式中A為積分常數(shù)。初始條件是t＝0時(shí)T＝T0。所以上式可以寫(xiě)成T=T0ek1+k2m1c2t+Ts(1-e-k1+k2m1ct)---(4)]]>但(4)式中包含了許多系統(tǒng)的特性參數(shù)如mi、ci、ki(i＝1、2)，不便于測(cè)量。在測(cè)量中應(yīng)尋找其他辦法。
從(3)式可以看出，若在t1、t2兩個(gè)時(shí)刻測(cè)得溫度值為T(mén)1、T2，溫度的導(dǎo)函數(shù)的數(shù)值為T(mén)1′、T2′，則在任意時(shí)刻t有關(guān)系T2′-T1′T′-T1′=ek2-k1m1c1t2-ek2-k2m1c1t1ek2-k1m1c1t-ek2-k2m1c1t1=T2-T1T=T1,]]>從而有關(guān)系T=T′-T1′T2′-T1(T2-T1).]]>當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)溫度計(jì)的溫度達(dá)到穩(wěn)定的最終平衡溫度，即溫度數(shù)值趨于平行于橫軸的直線T＝T∞，這時(shí)有T∞′＝0，于是得到Tt→∞=T∞=Ts=T1′T1′-T2′(T2-T1)---(A)]]>從(4)式中讓t→∞，也可以直接得到Tt→∞＝Ts這個(gè)結(jié)果。如此，便快速地求得了物體的距待測(cè)物表面一定深度處的溫度。
本發(fā)明的基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)在溫度測(cè)量中可顯示出普適性及其他方面很大的優(yōu)越性。它可以快速測(cè)量物體表面溫度的分布、可以在溫控過(guò)程中快速而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)溫度的變化，使得系統(tǒng)溫度穩(wěn)定地沿著預(yù)定的升溫曲線運(yùn)行，也可以對(duì)溫度變化的環(huán)境作出短期溫變預(yù)測(cè)。
本發(fā)明將通過(guò)實(shí)施實(shí)例結(jié)合附圖
加以說(shuō)明如圖2所示。溫度傳感器1送出的信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)漂移、溫度飄移及時(shí)間飄移均很小的三單元或一單元的運(yùn)算儀器放大器2進(jìn)行阻抗變換和放大，調(diào)整其放大倍數(shù)，使得其輸出的數(shù)值等于正確的溫度值。再將此溫度模擬量送入AD轉(zhuǎn)換器3將這個(gè)溫度值的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以后送入單片機(jī)4進(jìn)行溫度數(shù)值的計(jì)算，最后由數(shù)碼顯示器5顯示計(jì)算的結(jié)果。這些都是很成熟的技術(shù)。
用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)做數(shù)值微商，在技術(shù)上有一定的麻煩。進(jìn)行數(shù)值計(jì)算應(yīng)先使用AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以備計(jì)算。所以兩取樣值之間的時(shí)間差不能取得太小，否則因數(shù)值微分計(jì)算中有減法運(yùn)算，當(dāng)兩個(gè)溫度取樣值之間的數(shù)值很接近，做減法運(yùn)算后將導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果的有效值降低而降低了測(cè)量精度。為了保證檢測(cè)結(jié)果的精度，就必須取高位數(shù)的AD轉(zhuǎn)換器，這又將導(dǎo)致器件價(jià)格大幅度上升。為了保證測(cè)量結(jié)果有足夠的精度、所用器件價(jià)格又不太高，而將兩取樣值之間的間隔取大后，又與微分運(yùn)算的基本要求相矛盾。解決這個(gè)矛盾有以下辦法在溫升曲線上升的初期取兩個(gè)小區(qū)間，在每一個(gè)小區(qū)間上取四、五個(gè)采樣點(diǎn)。用三次樣條函數(shù)做此小區(qū)間的曲線擬合。因三次樣條函數(shù)作出的擬合曲線在檢測(cè)點(diǎn)處光滑、連續(xù)且有連續(xù)的一階和二階導(dǎo)函數(shù)?？稍跈z測(cè)點(diǎn)處算出待用的T1′、T2′的值。分兩次將溫度值及溫度的微商值分別存入RAM為T(mén)1，T1′和T2、T2′，再用(A)式即可算出終溫TS＝Tt→∞。三次樣條函數(shù)插值計(jì)算的方法可以在許多講解數(shù)值計(jì)算的書(shū)中查到，有一些講解單片機(jī)的書(shū)中還可以查到編好了的計(jì)算程序。
用8位單片機(jī)如96系列的任一帶有片內(nèi)10位AD轉(zhuǎn)換器和多路輸入的機(jī)種如80c196BK，或AVR單片機(jī)的帶有片內(nèi)10位AD轉(zhuǎn)換器、多路輸入以及有片內(nèi)EEPROM的機(jī)種如AT90SMEG103等可以依式(A)算出溫度值。這些類(lèi)型的單片機(jī)都有現(xiàn)成的加、減乘、除等運(yùn)算指令，這些運(yùn)算都是人們很熟悉的工作，在此略去對(duì)流程圖的詳細(xì)討論。
由于計(jì)算量不大，單片機(jī)完全能夠勝任這種簡(jiǎn)單的計(jì)算工作。而且單片機(jī)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、外圍電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、便于攜帶。這些優(yōu)異的條件有利于這種溫度計(jì)的大范圍推廣。
權(quán)利要求
1.一種基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)，含有一個(gè)溫度漂移、零點(diǎn)漂移和時(shí)間漂移都很小的儀器放大器，和一個(gè)含有多路AD轉(zhuǎn)換器和根據(jù)熱傳導(dǎo)方程導(dǎo)出的根據(jù)溫升曲線上兩點(diǎn)的溫度、以及相應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值算出待測(cè)物表面深處溫度計(jì)算程序的單片機(jī)，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)，其特征在于，單片機(jī)使用了能夠從熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，依據(jù)包含了傳熱系統(tǒng)中各種熱參數(shù)的溫升曲線上的兩個(gè)溫度值、和相應(yīng)的一階導(dǎo)函數(shù)值，依據(jù)從熱傳導(dǎo)方程中導(dǎo)出的公式Ts=T1′T1′-T2′(T2-T1),]]>從而快速外推算出測(cè)溫探頭在傳熱過(guò)程的時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)待測(cè)物表面深處的溫度值的計(jì)算程序，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)，其特征在于，有一個(gè)不從溫度的檢測(cè)值直接用數(shù)值微分法算出溫度的導(dǎo)數(shù)值，而用具有通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)、且具有連續(xù)的一階導(dǎo)函數(shù)、和二階導(dǎo)函數(shù)的三階樣條函數(shù)插值法作小區(qū)間的曲線擬合，從而算出具有多有效數(shù)字的導(dǎo)數(shù)值，以增加溫度數(shù)值的測(cè)量精度。
全文摘要
一種基于新測(cè)溫原理的快速預(yù)測(cè)型溫度計(jì)。含有溫度傳感器,高輸入阻抗、低噪聲、低漂移的放大器,AD轉(zhuǎn)換器,單片計(jì)算機(jī)和數(shù)碼顯示器的低價(jià)位和性能穩(wěn)定的測(cè)溫裝置。它不依據(jù)熱平衡原理,而從傳熱方程中導(dǎo)出的包含了傳熱系統(tǒng)中各個(gè)熱參數(shù)的升溫曲線上取出的溫度檢測(cè)值、以及和該溫度值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值,快速地外推出待測(cè)物表面深處溫度的預(yù)測(cè)型普適型溫度計(jì)?？捎糜诳焖贉y(cè)出物體的表面溫度和溫度分布,某溫度系統(tǒng)的短期溫變預(yù)測(cè),也可以用于要求無(wú)震蕩溫控系統(tǒng)的溫度控制過(guò)程。
文檔編號(hào)G01K3/00GK1308225SQ0110001
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期2001年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月3日
發(fā)明者張?jiān)迄? 張智華 申請(qǐng)人:張智華