一种基于水浴法的热电偶时间常数测量装置及测量方法与流程

1.本发明属于传感器测温技术领域，涉及一种基于水浴法的热电偶时间常数测量装置及测量方法。


背景技术：

2.热电偶作为一种温度传感器，因其接触式测量的准确性、稳定的热电特性、优良的动态特性、技术发展的成熟性，被广泛应用于国防、航空、工业等诸多温度测量领域中。在采用热电偶测温时，由于热电偶本身具有一定热惯性，不能立即测出当前实际温度，而是需要一定的响应时间，时间常数常被用于作为热电偶响应时间的评价指标，专业领域内把热电偶由于外界温度变化而自身温度上升到幅值63.2％处所需要的时间称为热电偶的时间常数。
3.影响热电偶时间常数的因素有很多，包括热电偶热物性参数、几何参数以及测温环境等，很难用理论模型准确求得热电偶时间常数，实际应用中通常用实验的方法测量热电偶时间常数。
4.目前，工业上对时间常数测量标准主要是采用水浴法作为环境温度阶跃变化手段，再利用时间常数定义对响应曲线进行目测获得其时间常数。水浴法是工业领域内标准的时间常数测量方法，是指将热电偶从某一高度投入热水中，由相关仪器采集到热电偶的输出信号，再通过时间常数定义式人工目测信号上升63.2％所需的时间即为时间常数。
5.但在水浴法测量中，是将热电偶以一定速度从室内空气落入热水中，由于热水上表面存在小距离范围内的热空气流，且随着热水温度的升高热空气流范围逐渐增加，致使热电偶在未落入水中就受到一个热气流温度阶跃，这个温度阶跃会随着热电偶的入水被施加到其测温节点上面，致使测量结果存在偏差。另外，在针对目前热电偶输出信号的后续数据处理方面，没有标准和规范，导致测量得到的时间常数结果会有明显的测量误差，影响最终温度测量结果的有效性和可靠性。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：传统水浴法测量时间常数由于热水上表面热气流的影响，使热电偶未落入水中就受到一个热气流温度阶跃，影响时间常数测量结果的准确性，另外，行业标准中采用的人工目测方式还进一步加剧了时间常数测量结果误差。
7.有鉴于此，为了消除行业标准水浴法中热水上表面热气流的影响，对热电偶输出信号进行时间常数精确测量，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于水浴法的热电偶时间常数测量装置，该装置由内置冰水混合物的冰水桶、电压采集仪、时间常数计算系统、铁架台、热电偶、即热式热水装置以及水箱组成；所述水箱位于即热式热水装置的上方并相互连通，所述即热式热水装置的中部设置有热水出水口，所述热电偶位于该热水出水口的正下方；所述铁架台位于即热式热水装置的侧面，该铁架台的底部水平设置有用于夹持热电偶的万能夹；所述热电偶的信号线穿过冰水桶后电连
接电压采集仪，所述冰水桶内的冰水用于对热电偶冷端温度进行补偿；电压采集仪与时间常数计算系统电连接，并将信号传输至所述时间常数计算系统，时间常数计算系统用于实现时间常数的计算。
9.进一步地，通过调节万能夹实现热电偶上的热电偶测温点与出水口的对准，即热式热水装置对水箱中的水进行加热后经出水口流出，冲击在所述热电偶测温点上，实现利用热水进行温度激励。
10.一种基于水浴法的热电偶时间常数测量方法，包含如下步骤：
11.s51：记热电偶输出信号为x(i)，其中n为采样点数；
12.x(i)＝v(i),i＝1,2,...,n
13.s52：对x(i)信号进行中值滤波处理，滤波后的信号记为xs(i)；
14.xs(i)＝filter[x(i)],i＝1,2,...,n
[0015]
s53：构造特征值曲线cf(i)，特征值曲线最大值即为热电偶跟随外界环境温度变化初始时刻t0；
[0016][0017]
t0＝max[cf(i)]
[0018]
其中，i＝1,2,...,n-l，l＝100ms；
[0019]
s54：从t0时刻后的信号进行截断，截断长度为m，m有如下等式；
[0020]
xs(i),i＝t0,t0+1,...,t0+m
[0021][0022]
其中，[]代表取整，为待测热电偶粗略预估的时间常数；
[0023]
s55：对xs(i)进行傅里叶级数拟合，得到函数式xf(m)；
[0024]
xf(m)＝fit[xs(i)]
[0025]
其中，i＝t0,t0+1,...,t0+m,m＝1,2,...,m；
[0026]
s56：对xf(m)信号归一化，得到xn(m)；
[0027][0028]
s57：找到xn(m)大于0.632的第一个索引th，再乘以得到时间常数τ，fs为电压采集仪的采样频率；
[0029]
th＝find[xn(m)＞0.632],m＝1,2,...,m
[0030][0031]
本发明工作原理：
[0032]
整个测量系统可以被分为三个部分：温度激励装置，热电偶，时间常数计算系统。其中，温度激励装置是利用即热式热水装置对水进行加热使其高于环境温度达到温度激励的目的，将热电偶置于温度激励装置下方可有效消除热气流的影响，从而保证时间常数的测量准确度。时间常数计算系统是对热电偶输出信号进行时间常数的自动计算：t0是热电
偶感受温度从冷到热变化的临界时刻，此刻信号梯度处于最大值，由寻找t0转变为寻找斜率最大值，从t0时刻向后截取一段信号，拟合得到热电偶开始吸热至热平衡状态的数学函数式，对其归一化，找到大于0.632的第一个索引值再与时间间隔相乘，得到时间常数τ。
[0033]
本发明的有益效果
[0034]
本发明解决了热电偶行业标准中水浴法存在的不准确度高、重复一致性差的问题，有效消除了热电偶受热水上表面热气流的影响，改进了人工目测时间常数的操作方法，本发明测量的热电偶的时间常数更加精确、稳定，从而提升温度测量的准确性及可靠性。
附图说明
[0035]
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0036]
图1为本发明一种新型的热电偶时间常数自动测量装置图；
[0037]
图2为本发明热电偶时间常数自动计算步骤图；
[0038]
图3为行业标准水浴法采集的热电偶输出信号图；
[0039]
图4为本发明装置下采集的热电偶输出信号图。
[0040]
图中：1-冰水桶；2-电压采集仪；3-时间常数计算系统；4-铁架台，41-万能夹；5-热电偶，51-热电偶测温点，52-信号线；6-即热式热水装置，61-出水口；7-水箱。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0042]
一种新型的热电偶时间常数自动测量装置主要用于热电偶的时间常数标定，为达到更精准的时间常数标定结果，调整了水浴法方式中热水在下方，热电偶在上方的相对位置，消除了热电偶受热水上方热气流的影响，进一步提出了时间常数的自动计算算法，实现了该装置下的时间常数自动测量，消除了行业标准中目测方式的计算误差。本发明实施例针对偶丝直径为φ0.25mm的k型热电偶开展时间常数标定，设计的热电偶感温结点与即热式热水装置出水口相对位置为8cm，出水口温度设定为100℃，冰水混合物为0℃。
[0043]
实施例1
[0044]
如图1所示，一种基于水浴法的热电偶时间常数测量装置，该装置由内置冰水混合物的冰水桶1、电压采集仪2、时间常数计算系统3、铁架台4、热电偶5、即热式热水装置6以及水箱7组成；所述水箱7位于即热式热水装置6的上方，所述即热式热水装置6的中部设置有热水出水口61，所述热电偶5位于该热水出水口61的正下方；所述铁架台4位于即热式热水装置6的侧面，该铁架台4的底部水平设置有用于夹持热电偶5的万能夹41；所述热电偶5的信号线52穿过冰水桶1后电连接电压采集仪2，电压采集仪2与时间常数计算系统3电连接，并将信号传输至所述时间常数计算系统3，时间常数计算系统3用于实现时间常数的计算。
[0045]
本实施例通过调节万能夹41实现热电偶5上的热电偶测温点51与出水口61的对准，即热式热水装置6对水箱7中的水进行加热后经出水口61流出，冲击在所述热电偶测温点51上，实现利用热水进行水浴。
[0046]
本实施例的即热式热水装置6具有设定温度后自动加热保温至设定温度的功能。
[0047]
一种基于水浴法的热电偶时间常数测量方法，该方法包含如下步骤：
[0048]
s1：将待测热电偶固定在铁架台万能夹上，调整万能夹上下左右高度并锁紧定位，使得即热式系统的出水口正对于热电偶测温点的上方；
[0049]
s2：根据时间常数测量要求，使用即热式系统设置出水口温度；
[0050]
s3：使用即热式系统的出水口对热电偶进行指定温度范围内的加热，同时使用电压采集仪对该状态下的热电偶输出信号进行测量；
[0051]
s4：完成时间常数测量后，使热电偶恢复至室温状态，重复步骤s1与步骤s4，记录热电偶的输出信号；
[0052]
s5：通过热电偶的输出信号，利用其所反映的热电偶由于外界温度变化而自身温度上升到幅值63.2％处所需要的时间来计算时间常数。
[0053]
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述步骤s5包括：
[0054]
s51：记热电偶输出信号为x(i)，其中n为采样点数；
[0055]
x(i)＝v(i),i＝1,2,...,n
[0056]
s52：对x(i)信号进行中值滤波处理，滤波后的信号记为xs(i)；
[0057]
xs(i)＝filter[x(i)],i＝1,2,...,n
[0058]
s53：构造特征值曲线cf(i)，特征值曲线最大值即为热电偶跟随外界环境温度变化初始时刻t0；
[0059][0060]
t0＝max[cf(i)]
[0061]
其中，i＝1,2,...,n-l，l＝100ms；
[0062]
s54：从t0时刻后的信号进行截断，截断长度为m，m有如下等式；
[0063]
xs(i),i＝t0,t0+1,...,t0+m
[0064][0065]
其中，[]代表取整，为待测热电偶粗略预估的时间常数；
[0066]
s55：对xs(i)进行傅里叶级数拟合，得到函数式xf(m)；
[0067]
xf(m)＝fit[xs(i)]
[0068]
其中，i＝t0,t0+1,...,t0+m,m＝1,2,...,m；
[0069]
s56：对xf(m)信号归一化，得到xn(m)；
[0070][0071]
s57：找到xn(m)大于0.632的第一个索引th，再乘以得到时间常数τ，fs为电压采集仪的采样频率；
[0072]
th＝find[xn(m)＞0.632],m＝1,2,...,m
[0073][0074]
实施例2
[0075]
如图4所示为本发明装置下采集的热电偶输出信号图，图3是行业标准水浴法采集的热电偶输出信号图，偶丝直径为φ0.25mm，偶丝型号为k型，热电偶感温结点与即热式系统出水口相对位置为8cm，出水口温度为100℃，冰水混合物为0℃。采用本发明装置所测量的时间常数为4.47ms，标准水浴法中测量的时间常数为5.04ms，从图3和图4的对比图中可以看出热电偶明显受到热水上表面气流影响，导致输出信号分为两段，热电偶分别逐次与气流、水进行换热，导致测量的时间常数结果不准确。
[0076]
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。