一种用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温方法及装置与流程

本发明涉及纳米材料测试技术领域，具体涉及一种用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温方法及装置。

背景技术

工业生产与日常应用中，很多设备都与热过程有关。这些热设备内壁温度的高低是设备运行状态的重要参量。然而大多数的加热容器温度都难以通过接触式测温方法得到。以电磁炉为例，为了实现加热过程中的温度控制以及过热保护，需要对加热件如锅具的温度进行实时测量并反馈到加热控制部件。而电磁炉中所使用的面板通常是微晶玻璃等材料，其隔热性能较好，因此若通过在玻璃面板下布置接触式测温点来测量锅具外壁表面温度，面板隔热性所产生较为严重的滞后和失真现象。

目前基于磁纳米粒子的对于远方加热和温度探测技术已经得到了一定程度的发展，基于磁纳米粒子磁化强度的温度测量精度已经达到了0.32k。相对于红外线测温方法只能够测量物体表面温度，且针对特定材质和表面需要通过实验来实际确定发射率给出典型值，磁纳米粒子磁化强度测温方法依据磁纳米粒子自身特性，能够测量不同材质物体内部的温度。

然而，在目前已知的磁学温度测量技术中，均要求周边保持无磁环境。这使得具有穿透能力的磁学测温技术在工业上使用起来非常不方便。例如压力容器与核电保护壳，均不可避免使用了铁元素。因此，研究一种可以在含有铁磁性材料的环境下使用的磁学测温技术成为工业上的瓶颈与亟需。因此，能够寻求设计一种新的测量装置克服铁磁性对象对于磁纳米粒子温度测量造成的干扰、减小磁纳米粒子测温所需要使用的测量设备体积，将对于磁纳米粒子测温使用于小型设备就有极大的推动作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温方法及装置，能够消除环境中铁磁性材料的背景干扰，且有效减小目前磁纳米测量装置的体积，使其能够满足小体积的应用需求。

一种用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温方法，包括如下步骤：

(1)以感应线圈为中心，在其两侧对称设置属性相同的同向激励线圈；

(2)在温度待测位置放置磁性纳米颗粒；

(3)向两激励线圈通入低频交流电流，采集感应线圈的输出电压信号，通过感应线圈输出电压幅值与磁导率的线性相关性计算得到由于磁纳米粒子产生的磁化率；

(4)依据磁纳米粒子磁化率的倒数在低频弱磁场激励下与温度的关系，反演得到温度信息。

进一步地，所述磁纳米粒子磁化率χm的倒数在低频弱磁场激励下与温度的关系为：其中ms为磁纳米粒子饱和磁化强度，v为磁纳米粒子体积，h为激励磁场强度，k为波尔兹曼常数，t为温度，n为磁纳米粒子数。

进一步地，感应线圈的输出电压信号n为感应线圈匝数，s为感应线圈磁通面积，b为感应线圈的磁感应强度，d表示求导数；

感应线圈的磁感应强度b满足：其中，r为激励线圈半径，x为感应线圈轴线距离线圈中心的距离，i为通入激励线圈的电流值；

从感应线圈输出的电压信号中得到磁纳米粒子对于线圈结构铁芯磁导率造成的变化δμr，计算磁纳米粒子磁化率μ0为真空磁导率。

进一步地，所述步骤(4)采用数字相敏检波算法检测感应线圈输出电压。

用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温装置，包括铁芯、感应线圈、激励线圈、数据采集卡和数据处理中心；所述铁芯的中间部分缠绕有感应线圈，铁芯的两侧以感应线圈为中心对称缠绕有激励线圈，数据采集卡的电流输出端连接两激励线圈，数据采集卡的数据输入端连接感应线圈，数据采集卡用于向两激励线圈通入低频交流电流，两激励线圈产生激励磁场磁感线以数量相同、方向相反的状态穿过中间的感应线圈；在温度待测位置处放入磁纳米粒子后，数据采集卡采集感应线圈的输出电压并传送给数据处理中心，数据处理中心用于根据感应线圈输出电压幅值与磁导率的线性相关性计算得到由于磁纳米粒子产生的磁导率，进而依据磁纳米粒子磁化率的倒数在低频弱磁场激励下与温度的关系，反演得到温度信息。

进一步地，所述铁芯为e型铁芯或利用c型铁芯、u型铁芯中任意一种组合构成磁路对称的铁芯。

进一步地，还包括设仪表放大器，串接于感应线圈和数据采集卡之间。

本发明的技术效果体现在：

本发明可用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温装置，有效抵消了测量环境中铁磁性材料的背景干扰，且缩小了磁纳米粒子测温设备的体积。由于磁路可以包括气隙，因此可以实现非接触测量。同时由于激励线圈的绕制方法能够有效地实现差分，使得该套测温设备能够用于如不锈钢锅具等底面平整的铁磁性物体的温度测量，并且只要待测对象放置位置合适，待测对象材质的不同不会对于测量结果产生较大的影响。

附图说明

图1为本发明测温方法流程图；

图2为本发明装置结构示意图；

图3为未放置磁纳米粒子通低频交流电流时磁通密度模与感应线圈中的电流的有限元仿真结果示意图；

图4为未放置磁纳米粒子通低频交流电流时激励线圈两端电压与感应线圈输出电压的有限元仿真结果示意图，其中，图4(a)为激励线圈中的激励电流幅值，图4(b)为感应线圈中的感应电压幅值；

图5为本发明装置系统示意图；

图6为放置磁纳米粒子为激励线圈通375hz、0.0126a交流电流，感应线圈输出电压经过仪表放大器放大1001倍之后信号一次谐波幅值随温度变化的实验结果示意图；

图7为多次实验以光纤温度计测量温度值为标准、根据一次谐波幅值反演得到的温度误差对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种可用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温方法，包括如下步骤：

(1)选用最常见的譬如e型铁芯来组建对称结构。e型铁芯的两个边柱的截面积之和等于中柱截面积。在e型铁芯上绕制位置对称属性相同的同向激励线圈，线圈电感为l＝μoμr×ae*n²/l，l为电感量，μo为真空磁导率，相对磁导率μr＝1+χm，χm为磁介质的磁化率，ae为磁芯截面积，n为线圈匝数，l为磁芯的磁路长度。在中柱上绕制感应线圈，整个装置结构如图2所示；

(2)在温度待测位置放置磁性纳米颗粒；

(3)向两激励线圈通入低频交流电流，采集感应线圈的输出电压信号，通过感应线圈输出电压幅值与磁导率的线性相关性计算得到由于磁纳米粒子产生的磁化率。

在放置磁性纳米颗粒之前，若通低频交流电流i(t)＝iac·cos(ωt)使得两激励线圈产生的激励磁场磁感线以数量相同、方向相反的状态穿过绕在中柱上的感应线圈，使得感应线圈输出感应电压为零或极小接近于零，即uo≈0。其中iac为交流磁场幅值，ω为交流磁场的频率，t为时间；

在放置磁性纳米颗粒后，添加磁纳米粒子改变了磁芯相对磁导率从而打破两激励线圈所产生的激励磁场的平衡状态，δb∝δμr使得感应线圈输出电压uout＝usin(ωt+θ)≠0；

利用数字相敏检波算法计算感应线圈输出电压信号一次谐波幅值，由于感应线圈输出电压幅值u与磁导率线性相关，因此可以得到由于磁纳米粒子产生的磁导率。

所述磁纳米粒子产生的磁导率的计算方式为：

感应线圈的输出电压信号n为感应线圈匝数，s为感应线圈磁通面积，b为感应线圈的磁感应强度，d表示求导数；

感应线圈的磁感应强度b满足：其中，r为激励线圈半径，x为感应线圈轴线距离线圈中心的距离，i为通过激励线圈的电流值；

从感应线圈输出的电压信号中得到磁纳米粒子对于线圈结构铁芯磁导率造成的变化δμr，计算磁纳米粒子磁化率μ0为真空磁导率。

(4)依据磁纳米粒子磁化率的倒数在低频弱磁场激励下与温度的关系，反演得到温度信息。

所述磁纳米粒子磁化率χm的倒数在低频弱磁场激励下与温度的关系为：其中ms为磁纳米粒子饱和磁化强度，v为磁纳米粒子体积，h为激励磁场强度，k为波尔兹曼常数，t为温度，n为磁纳米粒子数。

更具体的计算过程为：

磁纳米粒子的磁化率的倒数服从：其中郎之万方程为l(α)＝cothα-1/α，从感应线圈输出的电压信号中得到磁纳米粒子对于线圈结构铁芯磁导率造成的变化，从而进一步求解得到温度信息：

l′表示朗之万方程的一阶导数。

当施加的交流磁场幅值较小，使得时，依据居里顺磁定理，顺磁物质的磁化率倒数与温度t成正比关系：则可以将感应线圈输出电压转化为：

将得到的感应电压信号进行积分之后利用dpsd得到信号一次谐波幅值的a1便是一个与变化线性相关的变化量，在小范围内，可以将其近似看作与温度t线性相关。

本发明测温方法适用于适用检测电磁炉加热的锅具、压力容器内部、核电保护壳内部等不适用于安装接触式温度传感器领域的温度测量。

所述铁芯不局限于e型铁芯，还可采用c型铁芯、u型铁芯中任意一种，只要能构成对称磁路即可。

如图5所示，本发明还提供了一种用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温装置，包括铁芯、感应线圈、激励线圈、数据采集卡和数据处理中心；所述铁芯的中间部分缠绕有感应线圈，铁芯的两侧以感应线圈为中心对称缠绕有激励线圈，数据采集卡的电流输出端连接两激励线圈，数据采集卡的数据输入端连接感应线圈，数据采集卡用于向两激励线圈通入低频交流电流，两激励线圈产生激励磁场磁感线以数量相同、方向相反的状态穿过中间的感应线圈；在温度待测位置处放入磁纳米粒子后，数据采集卡采集感应线圈的输出电压并传送给数据处理中心，数据处理中心用于根据感应线圈输出电压幅值与磁导率的线性相关性计算得到由于磁纳米粒子产生的磁导率，进而依据磁纳米粒子磁化率的倒数在低频弱磁场激励下与温度的关系，反演得到温度信息。

作为优化，还可增设仪表放大器，与感应线圈相连，感应线圈输出电压经过仪表放大器放大后传入数据采集卡中。使用仪表放大器能够将微弱的感应线圈输出电压幅值放大并且能够提升信号的信噪比，有利于提升温度的测量精度。

仿真实例(e型铁芯电感磁通量)：

1.仿真模型与测试说明：

为了研究基于e型结构绕制的激励线圈以及差分线圈能够满足差分需求并且实现温度测量的可行性，设计如图2所示结构，利用包含饱和效应的非线性b-h曲线模拟软铁心的磁性能，假设导线线径小于集肤深度且匝数很多以模拟线圈，设置电源电压为5v，频率为50hz，激励线圈60匝、电阻20ω，感应线圈300匝、100ω。未放置磁纳米粒子通低频交流电流时磁通密度模与感应线圈中的电流的有限元仿真结果如图3所示，激励线圈激励电流与感应线圈输出电压的仿真结果如图4所示；

2.仿真试验结果：

图3反映了在呈现对称结构的e型铁芯上绕制几乎对称的激励线圈，e型铁芯中磁通密度模分布以及感应线圈产生的感应电流。从仿真结果可以看出来，e型铁芯中磁通密度模以中柱为中心线几乎完成对称，并且由于两个激励磁场的磁场线在中柱中方向相反，感应线圈产生的感应电流很小。

图4反应了当给激励线圈通0.25a、50hz交流电流时，感应线圈输出的感应电压大小为6.74×10^-5v。可以发现，利用这样的结构，能够达到一般磁纳米粒子温度测量系统中差分线圈的差分效果。

实验实例(温度测试)：

1.实验步骤与实验说明：

为了验证基于e型结构绕制的激励线圈以及差分线圈能够满足差分需求并且实现温度测量的可行性，制作如图2所示结构的装置，搭建如图5所示系统，激励交流电流频率f为375hz，电流幅值为0.0126a。实验过程中环境温度t为19.17℃，为添加磁纳米粒子时感应线圈输出信号经过仪表放大器放大1001倍之后一次谐波的幅值为0.0576v。

选用粒径为10nm的磁纳米粒子粉末，隔玻璃放置在e型磁芯一端上方，玻璃厚度为6mm。由于磁纳米粒子的加入改变了穿过感应线圈的磁感线分布，使得感应线圈输出电压信号在经过仪表放大器放大后一次谐波幅值0.745v，相对于未添加磁纳米粒子粉末时信号强度增加一个数量级；

2.测温实验结果：

图6为放置磁纳米粒子为激励线圈通375hz、0.0126a交流电流，感应线圈输出电压经过仪表放大器放大1001倍之后信号一次谐波幅值随温度变化的实验结果，从实验结果可以看出，使用该方法进行测量，具有一定的可重复性，测量结果之间的偏差有可能是由于激励线圈绕制过程中并未能做到完全对称，以及测温过程中待测样品温度变化通过热传导影响了e型铁芯的温度从而进一步影响了铁芯的磁导率；图7为多次实验以光纤温度计测量温度值为标准、根据一次谐波幅值反演得到的温度误差对比图，温度测量误差在±4℃范围内，温度测量误差呈现温度段两端误差较大的原因主要是由于使用一次线性模型近似拟合导致，而测温误差较大一方面是受信号信噪比影响(实验过程输出电压信号信噪比为36db)，另一方面光纤温度计的测量精度仅为0.1℃。

因此，这种可用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感测温装置确实可以消除环境中铁磁性材料带来的背景干扰，在减小磁纳米粒子温度测量设备体积的基础上实现对于温度的非接触式测量。