渦電流溫度計的製作方法

2023-09-19 21:09:00 2

專利名稱：渦電流溫度計的製作方法
技術領域：
本發明廣泛地關注於用於通過在構成物體的一部分的傳導構件或與物體進行操作性熱交換的傳導構件中使用磁場感生渦電流來進行對物體的溫度測定的方法和裝置。更特別的是，本發明關注的是遠程的非接觸式溫度測定方法和裝置，其中在計算傳導構件溫度時測定和使用渦電流的特徵時間常數傳導構件。
背景技術：
遠程非接觸式溫度傳感設備在現代エ業和其它領域有著強勁的需求。由於現有的紅外測溫儀需要不被阻擋的操作視線，這些現有的紅外測溫儀不能滿足這種需要。帶有集成溫度傳感元件的最先進的RFID電路往往是昂貴的，且需要可靠的信息傳輸條件(例如RF)，這限制了其使用。眾所周知，交變磁場產生電動勢，電動勢在傳導物體中激發渦電流。這電流是封閉渦的形式，且這些渦的形狀和空間分布是由在空間和時間上交變的磁場模式以及傳導物體的傳導性和磁特性來定義的。這種封閉的渦被視為具有特定電感和電阻值的電流流動的封閉等聞線。在過去已經嘗試利用渦電流現象來測量傳導物體的溫度。然而這些努力沒有完全成功。美國專利No. 5，573，613描述了ー種在感應焊接過程(該過程，在兩個塑料部件之間的界面上使用傳導基座)中感應金屬膠合線(基座)的溫度的方法和裝置。磁工作線圈產生通過塑料部件且圍繞基座的交變磁場。這反過來加熱了基座，電阻因變於基座材料的熱阻係數而變化。這種電阻變化反映在電磁線圈阻抗的變化。電路對不斷變動的電阻進行感測，並且這種變化轉換成所感測的溫度。所感測的溫度可隨後被用來調節供給至磁工作線圈的功率或者工作線圈沿著膠合線的移動速度。這種技術不需要操作視線。然而，這種方法的明顯缺陷是依賴工作線圈阻抗的變化，工作線圈阻抗隨著工作線圈與基座之間的距離而顯著變化。因此，這個距離必須被精心維護，以確保溫度測量精度。美國專利No. 3，936，734描述了通過利用交變磁場在金屬部件中感生渦電流效應的方法來遠程測量電導率和/或金屬部件的溫度。該磁場是由受到交流電驅動的勵磁線圈來產生的，該勵磁線圈被安排成使得其軸垂直於金屬部件表面。此外，ー對半徑相同的測量線圈相對於勵磁線圈同軸且對稱排列在勵磁線圈的每一端。兩個測量線圈電學上串聯連接，並且測量線圈中的電流與勵磁線圈中的電流之間的相位角被認為是對所測量變量的指 示。為了減小距離變化的效應，測量線圈被置放於離開金屬部件表面一段距離的位置，使得勵磁線圈信號和測量信號之間的相位角最大。然而，這種方法在實際使用中不便，因為每次測量都需要在機械上調整金屬部件和傳感器線圈之間的距離。另可參見授予Ueda 等人的 JP2000193531A ,Development of Methodologyior In-bervice Measurement of Transient Responses of Process Instrument usedin LMFBR(在LMFBR中使用的對生產過程儀器的瞬態響應的服務中測量方法的發展)」，國際公司和技術開發中心；Takahira等人所著的「 Impedance Variation of a SolenoidCoil Facing a Moving Sheet Conductor (面對運動薄片導體時電磁鐵線圈的阻抗變化)，，，《日本電氣工程》，卷103，第3期，第1-7頁(1983);以及Keller所著的「 NoncontactTemperature Measurement of Rotating Rolls (旋轉軸非接觸溫度測量的新技術)」，《鋼鐵工程》，卷57，第5號，第42-44頁(1980年5月)。
發明摘要本發明克服了以往渦電流溫度測量技術的不足，並提供了一種用於對構成待測物體的一部分的傳導構件(如金屬，半導體，液體電解質)或與待測物體進行操作性熱交換的 傳導構件的遠程非接觸溫度測量的方法和裝置。這裡的方法和裝置基本上與傳導構件和探測線圈組件之間的距離和/或相關角度取向無關。一般來說，本發明提供了一種確定物體溫度的方法和裝置，包括在該傳導構件中感生渦電流的步驟，其中渦電流是通過使傳導構件經受大小隨著時間基本呈線性變化的磁場(即，真實線性度不超過大約±30%)來感生的，由此相應的渦電流大小隨著時間呈指數變化。下一歩，測定指數電流大小變化的特徵時間常數，並且用所述特徵時間常數來計算所述物體溫度。在較佳的形式中，使用三角波交變電流來驅動磁場發射線圈以在導體構件中感生渦電流，並提供接收線圈組件來監測相應的渦電流感生磁場。接收線圈組件的輸出電壓隨後被用來測定特徵時間常數。接收線圈組件有利地包括一對電學上串聯但相位相對的接收線圈，接收線圈位於場發射線圈的相對側上。為了方便溫度測量，對接收線圈進行了補償，使得在缺少傳導構件時從接收線圈組件的輸出電壓是零。本發明的方法和裝置可以被用於各種期望遠程非接觸式溫度感測的環境中。例如，本發明可以被用於測定食物原料在被加熱時的溫度。在這種使用情況下，加熱容器設置有底部壁，可被用來盛放食物原料。金屬傳導部分(諸如，鋁錐體)位於底部壁上，並且金屬傳導部分的一部分向上投影到食物原料。溫度檢測單元被放置在靠近加熱容器，且包括用於在導體構件中感生渦電流的第一組件，該渦流的大小隨著時間的推移呈指數變化。該單元還包括了第二組件，第二組件用於測定渦電流強度變化的特徵時間常數，並使用特徵時間常數來計算導體部分的溫度並進而計算食物原料的溫度。附圖
描述圖I是示出本發明的遠程溫度傳感裝置和方法的示意圖；圖2是示出根據本發明的用於遠程溫度測量的較佳整體系統的框圖；圖3是示出根據本發明的接收線圈組件的單階段輸出電壓的曲線圖；圖4是示出本發明裝置的遠程溫度感測操作與使用常規熱電偶溫度傳感的同時溫度感測相比較的圖；圖5是置於常規加熱盤裡的食物原料的示意圖，常規加熱盤配備有傳導構件，允許在食物原料加熱過程中遠程非接觸式地感測食物原料的溫度；圖6是在食物溫度測定中有用的圓錐形傳導構件的立體圖；圖7是在食物溫度測定中也有用的圓形肩部圓滑的傳導構件的立體圖。優選方案描述現在轉向附圖，圖2示意地示出了根據本發明的非接觸式遠程溫度傳感系統10。系統10包含波形產生器12，波形產生 器12可操作地與場發射線圈14耦合，且較佳地被設計為向線圈14提供三角電流波形驅動電流。產生器12和線圈14用來產生穿透傳導構件16的交變磁場。整個系統10還包括場接收線圈組件18，場接收線圈組件18與信號處理電路20耦合，信號處理電路20可連接到接ロ 22，用來對電路20的輸出進行進ー步處理和顯示。可以理解到，系統組件12、14、18、20、22可被設計在獨立単元24之內，作為儀器或者設備的集成部分，或者作為單獨的組件。系統10的基本操作可以通過考慮圖I來理解。正如圖I中所顯示的，受產生器12所驅動的場發射線圈14產生時間上線性變化的磁場，該磁場穿透傳導構件16(傳導構件16在該示例中被示為是平板)。示出了示例性磁場線26以說明這種效應。該磁場產生穩定的電動勢感生(以封閉環或者等高線形式的)渦電流28。然而，渦電流穩定性不是瞬間產生的，因為有限的電感L和電阻R經歷渦電流28。相反，渦電流大小I是遵循眾所周知的指數規律來穩定的I (t)=I0exp (-tR/L) (公式 I)式中t是時間變量，I0是穩定的電流值。渦電流28也產生相應的磁場，該磁場與線圈14產生的場一起被場接收線圈組件18所感測。在此實例中，組件18包含ー對接收線圈30，32，其置於場發射線圈14的相對兩側並且與場發射線圈14同軸對準。線圈30和32電學上串聯連接，但相位相對。線圈30，32相對於場發射線圈14的位置被較佳地選擇為使得當傳導構件16不存在吋，由線圈14產生的磁場在線圈30和32中所感生的電壓被完全補償，最終輸出電壓信號為零。然而，當構件16存在時，接收線圈30和32各自與構件16離開不同的距離；因此，在接收線圈30中(由場線圈14和渦電流28所產生的磁場的組合)所感生的電壓比線圈32中的電壓大很多。線圈30和32的最終電壓輸出信號與渦電流感生的磁場的變化率成比例。這種指數函數關係是由方程I中的特徵時間常數τ =L/R所定義的。渦電流電感L由電流28的大小所定義，而電流28的大小又是由場發射線圈14所產生的磁場的配置所確定的。渦電流電阻R由這些同樣的電流28大小以及傳導構件16的電導率σ所定義。假定電流28的大小是穩定的，則時間常數τ =L/R進而與構成構件16的材料的電導率σ成比例。電導率σ是已知定義的構件16的溫度T的單調函數τ =Ao (T) =F (T) (公式 2)式中A是個常數，且σ (T)基於溫度的電導率對幾乎所有現有金屬和合金都是已知的。對於給定構件16的特定值A可被很容易地測定，例如通過在ー個已知溫度下測量時間常數τ並將相應已知的σ值用於那個溫度。因此，可以使用所測得的渦電流時間常數τ來測定構件16的溫度T T=F1 ( τ ) (公式 3)式中Γ1是F的反函數。
對於給定的傳導構件16，在電導率σ對於溫度T的關係未知的情況下，函數F^1(T)可如下地經驗地確定在多個溫度下測量時間常數τ，然後用多項式或其他適當的數學函數對所獲得的時間常數數據進行曲線擬合。可以理解到，構件16可能是受到溫度測量的物體的一區域或一面積，也可能是與物體在操作上進行熱交換的單獨元件或主體。在任何情況下，可以準確地測量物體的溫度。原理上，場發射線圈14的磁 場中從零線性上升到某一最大值的單次τ測量就足以測定時間常數的特徵值。然而，使用來自場發射線圈14的三角波形的交變磁場可能是有利的，由此可以對多次τ測量求平均值來提高τ的精度。在這種情況下，希望交變磁場的半周期要遠大於渦電流時間常數τ。現在看圖3，圖解說明了來自場接收線圈組件18的電壓輸出的單個周期示例。整個系統10操作在500Hz的頻率上，接收線圈30被置於距離元件16 (由2012鋁合金製成，且厚度4mm) 25mm的地方。所測得的時間常數τ是134微秒。在另ー項測試中，加熱常規的平底鍋，通過系統10和常規的熱電偶來測定平底鍋的溫度。平底鍋由不鏽鋼製成且容積為I. 5升。在不鏽鋼層之間還夾雜配有鋁底熱擴散片。接收線圈30置於距離平底鍋底部25mm的地方。K型熱電偶也用膠帶牢牢固定在平底鍋底部，再由ー塊厚紙板壓住。使用熱風機從平底鍋內部對平底鍋加熱大約40秒。圖4示出本發明的渦電流(EC)系統10和熱電偶溫度(TC)的溫度隨時間的變化曲線圖。由此可以看出，當EC測量持續給出準確的瞬時溫度值時，TC在快速加熱期間中顯示了明顯的延遲。然而，在慢速溫度變化期間，這兩種方法顯示出了類似的精度。也應當注意到，儘管鋁熱擴散片被夾持在不鏽鋼相對層之間，渦電流時間常數τ事實上是由鋁的電導率σ所定義的。這是因為不鏽鋼的低得多的電導率(大概比鋁低20倍)，而且不鏽鋼夾層厚度很小。本質上，對從不鏽鋼中接收到的信號的影響是微不足道的。本發明的溫度測定方法和裝置不依賴於系統10和傳導構件16之間的視線方向。因此，本發明在很多應用領域都是非常有用的。例如，在航空航天業的維修、塑料焊接過程的控制、智能廚具、以及任何其他遠程非接觸式非視線的溫度測定應用中都是有用的。如前所述，準備測量溫度的感興趣物體不需要本身是傳導的，相反，分離的傳導構件被置於與該不傳導物體進行熱交換，此時該分離傳導構件可被用來作為遠程傳感器。這種分離的傳導構件被塑造成傳導金屬箔片、小傳導盤、或其他外形。本發明的另ー個重要特徵是時間常數τ (且進而相應物體的溫度Τ)的值實際上與物體16和場接收線圈組件18之間的距離和/或角取向無關。例如，3毫米厚且直徑25毫米的鋁盤經過測試發現顯示出良好的溫度精度。在這種情況下，場發射線圈14由圓柱形線圈構成，該圓柱形線圈為外徑50毫米、高度50毫米、電阻21歐姆、電感40mH。場接收線圈組件包含分離的接收線圈30和32，每個線圈30和32都為直徑72毫米、高度8毫米，且每個線圈中有250圈O. 2毫米銅線。這些線圈如圖I所示地組裝。場發射線圈由頻率500Hz振幅O. 5A的三角波電流來驅動。測試之前，兩個場接收線圈被機械對準為使得來自它們的輸出信號在傳導物體不存在時等於零。然後將鋁盤放置在距離接收線圈30不同距離的地方。在24mm距離處測得的時間常數值是150. 0±0. I微秒。於是，距離下降為20mm，而測得的值還是150. 0±0. I微秒。然後距離提高到28mm，再次測到了完全相同的時間常數。構成該盤的鋁金屬的電導率在室溫時每攝氏度變化0.4%。因此，這個測試的溫度精度被估計為±0. 17攝氏度。隨後，鋁盤平面和接收線圈30之間的角度從零改變到±15°。所測得的時間常數沒有變化。因此得出的結論是本溫度測量系統顯示出幾乎不依賴於盤的距離或角度取向，因此所測得的盤溫度類似地也和這些因素無關。本發明特別適用於對加熱中的食物的溫度的遠程非接觸式溫度測量。例如，如圖5所示，常規的不鏽鋼平底鍋34中放有許多食物原料36。平底鍋34內還有錐形鋁元件38，放置於平底鍋34的底部壁40上。使用這樣的組件，可以容易地通過使用根據本發明的系統10來監控食物原料36的溫度。雖然圓錐形元件38是首選，因為它具有良好地透入到食物材料36體積中的側壁表面42，但也可以採用其它形狀。例如，圖7圖示說明了基本為圓形且具有連續圓滑肩部46的元件44。另外，平底鍋34可能在底部壁40的外表面配有傳導構件。在該實施例中，食物溫度不是被直接測量的，但是仍然提供了關於食物溫度的有用信息。傳導構件可能是嵌入於 底部壁40或者黏附於底部壁40的小盤的形式。
權利要求
1.一種確定物體溫度的方法，包括如下步驟 在構成所述物體的一部分或與所述物體進行操作熱交換的傳導構件中感生渦電流， 通過使所述傳導構件經受大小隨著時間基本呈線性變化的磁場，來感生所述渦電流，使得相應的渦電流大小隨著時間呈指數變化； 測定所述電流大小變化的特徵時間常數；以及 用所述特徵時間常數來計算所述物體的溫度。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，包括使用磁場傳輸線圈使所述構件經受所述磁場的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，包括使用三角波交變電流來驅動所述傳輸線圈的步驟。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，包括使用接收線圈組件來探測所述相應的渦電流感生磁場，並使用接收線圈組件的輸出電壓來確定所述特徵時間常數的步驟。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述接收線圈組件包括一對電學上串聯但相位相對的接收線圈。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述特徵時間常數是隨時間而測定的多個時間常數的平均值。
7.一種測定物體溫度的裝置，所述物體具有構成所述物體的一部分或與所述物體進行操作熱交換的傳導構件，所述裝置包括 第一組件，用於在所述構件中感生渦電流，所述渦電流的大小隨著時間呈指數變化；以及 第二組件，用於測定所述渦電流大小變化的特徵時間常數，並使用所述特徵時間常數來計算所述物體的溫度。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述第一組件包括磁場發射線圈，用於產生以基本線性速率進行交變的交變磁場。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，包括與所述磁場發射線圈耦合的電流產生器，所述電流產生器使用三角波電流來驅動所述發射線圈。
10.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述第二組件包括接收線圈組件，用於檢測由所述渦電流所感生的所述相應的磁場。
11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述接收線圈組件包括一對電學上串聯但相位相對的接收線圈。
12.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述第一組件包括磁場發射線圈，用於產生以基本線性速率進行交變的交變磁場，所述第二組件包括接收線圈組件，用於檢測由所述渦電流所感生的所述相應的磁場，所述第二組件包括一對電學上串聯但相位相對的接收線圈，所述一對接收線圈各自位於所述發射線圈的相對側面。
13.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述構件能與所述物體分離開。
14.一種用於測定食物原料加熱期間的食物原料溫度的裝置，包括 加熱容器，用於盛放所述食物原料，並呈現出底部壁； 金屬傳導構件，位於所述底部壁上； 第一組件，用於在所述構件中感生渦電流，所述渦電流大小隨著時間呈指數變化；以及第二組件，用於測定所述渦電流大小變化的特徵時間常數，並使用所述特徵時間常數來計算所述傳導構件的溫度，以及進而計算所述食物原料的溫度。
15.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述傳導構件由鋁製成。
16.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述傳導構件位於所述盤內側並且依靠於所述底部壁，所述構件具有部分地透入所述食物原料的部分。
17.如權利要求16所述的裝置，其特徵在於，所述傳導構件能與所述底部壁分離開。
18.如權利要求16所述的裝置，其特徵在於，所述傳導構件是錐形配置，傳導構件的底部壁與所述容器底部壁接合。
全文摘要
提供了一種遠程非接觸式溫度測定方法和裝置，可操作地用來測定構成待測物體一部分或與物體進行操作熱交換的傳導構件的溫度。該方法包括如下步驟首先通過使構件(16，38，44)經受磁場而在傳導構件(16，38，44)中感生封閉的渦旋電流(28)，使得相應的渦電流的大小隨著時間呈指數變化。隨後確定指數電流大小變化的特徵時間常數，這被用來計算物體的溫度。該裝置(24)包括場發射線圈(14)，耦合到波形產生器(12)以感生渦電流(28)；並包括場接收線圈組件(18)，用於檢測由渦電流(28)所感生的相應的磁場。使用本發明，可以進行基本與傳導構件(16，38，44)和場接收線圈組件(18)之間的相對距離和/或角度取向無關的溫度測定。
文檔編號G01K7/36GK102713545SQ201080054963
公開日2012年10月3日 申請日期2010年10月18日 優先權日2009年10月19日
發明者E·索凱恩, V·馬雷什夫 申請人:Tsi技術有限公司