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CN108469308B - 一种表面测温仪 - Google Patents

一种表面测温仪 Download PDF

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CN108469308B
CN108469308B CN201810751736.0A CN201810751736A CN108469308B CN 108469308 B CN108469308 B CN 108469308B CN 201810751736 A CN201810751736 A CN 201810751736A CN 108469308 B CN108469308 B CN 108469308B
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thermocouple
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郑鹏
陈炯宇
吴一文
谢学江
曾咏威
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Abstract

本发明提供了一种误差小且测量精度高的表面测温仪。表面温度测温仪包括探头和温度测量仪表，探头包括温度补偿装置、探杆、测量热电偶和控温热电偶；温度补偿装置包括温度控制器和温度补偿块，温度补偿块设于探杆的一端的端面上，测量热电偶的测量端位于温度补偿块的外部；测量热电偶的参考端的负极热电偶丝与控温热电偶的参考端的负极热电偶丝电连接，测量热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器的负极相连，控温热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器的正极相连，温度控制器的输出端与温度补偿块相连；温度测量仪表的一端连接到测量热电偶的参考端的正极热电偶丝，温度测量仪表的另一端连接到测量热电偶的参考端的负极热电偶丝。

Description

一种表面测温仪
技术领域
本发明涉及测温技术领域，特别涉及一种表面测温仪。
背景技术
表面温度的测量是非常重要的，却是目前研究最不彻底、问题最多的一个门类。在工农业生产和科研实验中，往往需要准确测量元件、材料、结构件和设备壳体的表面温度，并有效融入国家的溯源体系。特别是对表面温度溯源具有较高要求的平板式电热恒温系统，如用于LED行业及其他精密电子行业封胶、点胶用的恒温电热台，生物医药实验用的恒温加热板，以及用于表面温度计校准用的标准表面温度源等，目前仍缺乏相应的校准装置如高精度高稳定性的标准表面测温仪，难以实现对工作平板表面温度准确性、均匀性和波动性等计量参数的准确测量。
现有测温仪的测温误差产生的原因主要有以下几点：其一是由于被测平板表面的材料及接触式传感器热导率不同，放置传感器后对于平板表面原始温场的破坏、歪曲而引起的误差；其二是接触式传感器与被测平板表面之间的非理想接触，总是存在热阻，由于热阻的存在而引起的误差；其三是由于接触式传感器不同的结构设计及接触形式，传感器的感温点与真正需要测温的实际测温点总有一个距离，由此引起的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种误差小且测量精度高的表面测温仪。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种表面测温仪，包括探头和温度测量仪表，所述探头包括温度补偿装置、探杆、测量热电偶和控温热电偶；
所述温度补偿装置包括温度控制器和温度补偿块，所述温度补偿块设于探杆的一端的端面上，所述测量热电偶的测量端位于温度补偿块的外部，所述测量热电偶的热电偶丝穿过温度补偿块，所述控温热电偶的测量端设于温度补偿块的内部，所述控温热电偶的参考端设于温度补偿块的外部；
所述测量热电偶的参考端的负极热电偶丝与控温热电偶的参考端的负极热电偶丝电连接，所述测量热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器的负极相连，所述控温热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器的正极相连，所述温度控制器的输出端与温度补偿块相连；
所述温度测量仪表的一端连接到测量热电偶的参考端的正极热电偶丝，所述温度测量仪表的另一端连接到测量热电偶的参考端的负极热电偶丝。
本发明的有益效果在于：
(1)热电偶作为表面测温仪的传感器，相比表面热电阻传感器热容量小且热响应速度快，与待测表面达到热平衡的时间短，测得的温度更准确；
(2)设计了温度补偿装置，减少了测量热电偶的散热，使得测量热电偶尽量接近待测表面的温度，使得热流消失或减小，减小了对待测平板表面原温场的影响，从而获得更准确的温度；
(3)探杆处装有自重块，保证传感器以恒定的角度和压力与待测表面接触，减少测量时人为按压产生的误差；
(4)增设外置防风罩，避免环境风速影响待测表面的热平衡；
(5)集热片沿被测平板等温面敷设，有效减小对原温场的影响，同时通过弹性柱紧紧压在被测表面也减小了感温点与实际测温点的距离，有效改善了非理想接触的情况。
附图说明
图1为本发明实施例的表面测温仪的侧面示意图；
图2为本发明实施例的温度补偿装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的表面测温仪装配状态下的纵向截面示意图；(未显示防风罩和自重块)
标号说明：
1、探头；
11、温度补偿装置；111、温度补偿块；112、温度控制器；
12、探杆；
13、测量热电偶；
14、控温热电偶；
15、集热片；151、感温点；
16、弹性柱；
17、限位柱；
2、温度测量仪表；
3、支腿；
4、自重块；
5、防风罩；
6、待测表面。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
当有两种不同的导体或半导体组成一个回路，其两端相互连接时，一端称为工作端或测量端，另一端称为自由端(也称参考端)或冷端，只要两结点处的温度不同，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”，其中一个导体可以称为正极热电偶丝，另一个导体可以称为负极热电偶丝。本发明所述的热电偶的测量端或冷端，指的是本领域所共识的测量端和参考端的含义。
本发明最关键的构思在于：设计了温度补偿装置，用于减小导出热流。
请参照图1-3，一种表面测温仪，包括探头1和温度测量仪表2，所述探头1包括温度补偿装置11、探杆12、测量热电偶13和控温热电偶14；
所述温度补偿装置11包括温度控制器112和温度补偿块111，所述温度补偿块111设于探杆12的一端的端面上，所述测量热电偶13的测量端位于温度补偿块111的外部，所述测量热电偶13的热电偶丝穿过温度补偿块111，所述控温热电偶14的测量端设于温度补偿块111的内部，所述控温热电偶14的参考端设于温度补偿块111的外部；
所述测量热电偶13的参考端的负极热电偶丝与控温热电偶14的参考端的负极热电偶丝电连接，所述测量热电偶13的参考端的正极热电偶丝与温度控制器112的负极相连，所述控温热电偶14的参考端的正极热电偶丝与温度控制器112的正极相连，所述温度控制器112的输出端与温度补偿块111相连；
所述温度测量仪表2的一端连接到测量热电偶13的参考端的正极热电偶丝，所述温度测量仪表2的另一端连接到测量热电偶13的参考端的负极热电偶丝。
本发明的工作原理为：为叙述简洁，将测量热电偶的测量端称为主测量端，将控温热电偶的测量端称为辅测量端。
首先说明温度补偿装置的工作原理。主测量端与待测表面接触，温度测量仪表显示主测量端测得的温度，由于主测量端与参考端之间存在温度差，测量热电偶自身与待测表面之间也存在温度差，因此测量热电偶与待测表面之间存在导出热流，导出热流从待测表面流经主测量端流向测量热电偶的参考端，这种现象随着测量热电偶测量端与参考端之间的温度差的增大而加剧。
本发明的温度补偿装置包括温度补偿块和温度控制器。测量热电偶和控温热电偶中，除了测量热电偶的测量端、测量热电偶的参考端和控温热电偶的参考端外都设于温度补偿块内，控温热电偶的测量端，即辅测量端可以测得温度补偿块的温度，由此，如果主测量端的温度大于辅测量端的温度，意味着此时待测表面的温度大于温度补偿块的温度，会有导出热流从测量热电偶的测量端流向测量热电偶的参考端。
所述测量热电偶的参考端的负极热电偶丝与控温热电偶的参考端负极热电偶丝电连接，所述测量热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器的负极相连，所述控温热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器正极相连，这样，如果主测量端的温度大于辅测量端的温度，温度控制器的输出端就会控制温度补偿块升温，直到主测量端与辅测量端的温度相同，也即温度补偿块的温度与主测量端的温度也相同，就不会有导出热流从待测表面流出的情况发生，然后通过连接测量热电偶的温度测量仪表精确测量待测表面温度。同理，如果主测量端的温度小于辅测量端的温度，那么温度控制器的输出端也会控制温度补偿块停止加热降至与主测量端的温度相同。
因为待测表面的温度一般会比室温高，在通常情况下温度补偿块的温度在未加热状态下不会超过待测表面温度，所以实际测量时，一般是温度补偿块先加热温度上升，如果温度超过待测表面温度，温度补偿块停止加热温度下降，再次低于待测表面温度后再次加热，无限接近待测表面温度，由此可以获得更准确的测量值。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：
(1)热电偶作为表面测温仪的传感器，相比表面热电阻传感器热容量小且热响应速度快，与待测表面达到热平衡的时间短，测得的温度更准确；
(2)设计了温度补偿装置，减少了测量热电偶的散热，使得测量热电偶尽量接近待测表面的温度，使得热流消失或减小，减小了对待测平板表面原温场的影响，从而获得更准确的温度；
(3)探杆处装有自重块，保证传感器以恒定的角度和压力与待测表面接触，减少测量时人为按压产生的误差；
(4)增设外置防风罩，避免环境风速影响待测表面的热平衡；
(5)集热片沿被测平板等温面敷设，有效减小对原温场的影响，同时通过弹性柱紧紧压在被测表面也减小了感温点与实际测温点的距离，有效改善了非理想接触的情况。
进一步的，所述探头1还包括集热片15，所述集热片15的形状为带状，所述集热片15的纵向截面为弧形，弧形的所述集热片15的两端与温度补偿块111的端面相连，所述集热片15沿温度补偿块111的轴向且朝远离温度补偿块111的方向突出，所述测量热电偶13的测量端位于集热片15靠近探头1的一面的中央并形成感温点151。
由上述描述可知，所述集热片15可采用高导热材料，增加对测量热电偶13的热电偶丝的供热，弧形的所述集热片15具有弹性，在与待测表面6接触并被施加压力后，集热片15会发生形变成扁平的带状并被平铺在待测表面6，从而获得更准确的温度，同时，由于集热片15的两端与温度补偿块111相连，因此集热15也不会有导出热流的存在。
进一步的，还包括支腿3，所述支腿3为“L”型，所述支腿3的一端与探杆12的侧壁相连，所述支腿3的另一端沿探杆12的轴向朝向温度补偿块111，所述支腿3的另一端的末端为尖端。
由上述描述可知，在实际测量时，表面测温仪的探杆是温度补偿块111朝下方式的持握，探杆垂直放置，在自重块4和支腿13的配合下直立在待测表面6上。测量时，集热片15与待测表面6接触后在自重块4的作用下发生形变后，支腿3的另一端的末端与待测表面6接触，由于末端为尖端，尽量减小与待测表面6的接触，避免了对待测表面6温场的破坏。
进一步的，还包括自重块4，所述自重块4套设于探杆12上且位于支腿3与探杆12的另一端之间。
由上述描述可知，支腿3末端与待测表面6接触后，朝待测表面6方向施加压力由自重块4的重量决定，这种可以自加压式设计最大限度避免了人为操作手持式探头1引入的随机误差的影响。这种影响主要是按压时作为感温元件的集热片15、热电偶与表面接触的角度和压力无法保持恒定导致，而通过设置支腿3和自重块4，就可以保证在测量时表面测温仪与待测表面6之间的角度任意一次都一致。
进一步的，还包括防风罩5，所述防风罩5套设于探杆12上且位于自重块4和支腿3之间，所述防风罩5的开口朝向温度补偿块111方向，所述支腿3和集热片15分别位于防风罩5内。
由上述描述可知，防风罩5有效的防止空气的快速流动对感温点151和被测表面6散热的影响，减少了表面测量过程的不确定因素。同时在测量时，由于防风罩5形成的密闭空间，在高温表面测量中，防风罩5内的空气温度会快速上升，这对减缓探头11的导出热流也是有一定的好处，一定程度上起到了热补偿的效果。
进一步的，所述支腿3的数目为至少三个。
由上述描述可知，至少三个的支腿3可以使得表面测温仪在没有外力扶持的条件下也可以稳定的放置在待测表面6上，从而减少外界影响。
进一步的，所述测量热电偶13和控温热电偶14与温度控制器3之间的导线分别设于探杆12内。
由上述描述可知，导线位于探杆12内，可以对导线起到保护作用。
进一步的，所述探头1还包括弹性柱16和限位柱17；
所述弹性柱16的一端与温度补偿块111的端面相连，所述弹性柱16的另一端朝远离温度补偿块111的方向并沿温度补偿块111的轴向延伸，所述弹性柱16的另一端抵设于集热片15靠近温度补偿块111的一面上；
所述限位柱17的长度小于弹性柱16的长度，所述限位柱17的一端与温度补偿块111的端面相连，所述限位柱17位于弹性柱16与温度补偿块111的边缘之间，所述限位柱17与弹性柱16平行设置，所述限位柱17的另一端抵设于集热片15靠近温度补偿块111的一面上；
所述弹性柱16的数目为至少两个，所述限位柱17的数目为至少两个，所述弹性柱16对称设置，所述限位柱17对称设置。
由上述描述可知，由于在集热片15与温度补偿块111的端面之间设置了弹性柱16，压力可以均匀的分散在集热片15上，使得集热片15近乎沿等温线平铺于待测表面6上，集热片15紧压在被测表面上，减小了感温点151与实际测温点的距离，有效改善了非理想接触的情况。而限位柱17的存在又保证集热片15在挤压中不至于发生不可逆形变而损坏。
请参照图1-3，本发明的实施例一为：
一种表面测温仪，包括探头1、温度测量仪2、支腿3、自重块4和防风罩5，所述探头1包括温度补偿装置11、探杆12、测量热电偶13、控温热电偶14、弹性柱16和限位柱17，所述测量热电偶和控温热电偶均采用常见的“K”型热电偶。
所述温度补偿装置11包括温度控制器112和温度补偿块111，温度补偿块111的材料为金属，所述温度补偿块111设于探杆12的一端的端面上，所述测量热电偶13的测量端位于温度补偿块111的外部，所述测量热电偶13的热电偶丝穿过温度补偿块111，所述控温热电偶14的测量端设于温度补偿块111的内部，所述控温热电偶14的参考端设于温度补偿块111的外部；
所述测量热电偶13的参考端的负极热电偶丝与控温热电偶14的参考端的负极热电偶丝电连接，所述测量热电偶13的参考端的正极热电偶丝与温度控制器112的负极相连，所述控温热电偶14的参考端的正极热电偶丝与温度控制器112的正极相连，所述温度控制器112的输出端与温度补偿块111相连，所述测量热电偶13和控温热电偶14与温度控制器112之间的导线分别设于探杆12内；
所述温度测量仪表2的一端连接到测量热电偶13的参考端的正极热电偶丝，所述温度测量仪表2的另一端连接到测量热电偶13的参考端的负极热电偶丝。
所述集热片15的形状为带状，所述集热片15的纵向截面为弧形，弧形的所述集热片15的两端与温度补偿块111的端面相连，所述集热片15沿温度补偿块111的轴向且朝远离温度补偿块111的方向突出，所述测量热电偶13的测量端位于集热片15靠近探头1的一面的中央并形成感温点151。
所述弹性柱16的一端与温度补偿块111的端面相连，所述弹性柱16的另一端朝远离温度补偿块111的方向并沿温度补偿块111的轴向延伸，所述弹性柱16的另一端抵设于集热片15靠近温度补偿块111的一面上；
所述限位柱17的长度小于弹性柱16的长度，所述限位柱17的一端与温度补偿块111的端面相连，所述限位柱17位于弹性柱16与温度补偿块111的边缘之间，所述限位柱17与弹性柱16平行设置，所述限位柱17的另一端抵设于集热片15靠近温度补偿块111的一面上；
所述弹性柱16的数目为至少两个，所述限位柱17的数目为至少两个，所述弹性柱16对称设置，所述限位柱17对称设置，由于限位柱17的存在，在弧形的所述集热片15的两侧朝集热片15的外侧各产生了一个凸起部，限位柱17可以保证集热片15发生的形变在允许范围内；
所述支腿3为“L”型，所述支腿3的数目为四个，所述支腿3的一端与探杆12的侧壁相连，所述支腿3的另一端沿探杆12的轴向朝向温度补偿块111，所述支腿3的另一端的末端为尖端，所述支腿3沿温度补偿块111轴向到温度补偿块111端面的距离不大于感温点151到温度补偿块111的距离。
所述自重块4套设于探杆12上且位于支腿3与探杆12的另一端之间，自重块4的材料可使用铜或其他金属材料，所述防风罩5套设于探杆12上且位于自重块4和支腿3之间，所述防风罩5的开口朝向温度补偿块111方向，所述支腿3和集热片15分别位于防风罩5内。
在使用时，首先将待测表面6朝上放置，将温度补偿块111朝下的手持探杆12。接着朝下移动探杆12，集热片15与待测表面6接触，此时松开探杆12，在自重块4的作用下集热片15在重力的作用下被压扁，由于自重块4的质量是预先设定的，因此可以通过调节自重块4的重量控制集热片15的扁平程度，并预先设置好支腿3的长度，保证集热片15在预定扁平度时支腿3起到支撑作用。又由于在集热片15与温度补偿块111的端面之间设置了弹性柱16，压力可以均匀的分散在集热片15上，使得集热片15近乎沿等温线平铺于待测表面6上，限位柱17的存在又保证集热片15不至于损坏。
在表面测温仪中，测量热电偶13的热电偶丝和控温热电偶14的热电偶丝可以套设于陶瓷管中再埋设在温度补偿块111中，且位于温度补偿块111外的测量热电偶13可在做绝缘处理(如套设上绝缘层)后沿集热片15的表面尽可能贴在集热片15的表面铺设。
综上所述，本发明提供了一种误差小且测量精度高的表面测温仪。所述表面测温仪将(热电偶作为表面测温仪的传感器，相比表面热电阻传感器热容量小且热响应速度快，与待测表面达到热平衡的时间短，测得的温度更准确；设计了温度补偿装置，减少了测量热电偶的散热，使得测量热电偶尽量接近待测表面的温度，使得热流消失或减小，减小了对待测平板表面原温场的影响，从而获得更准确的温度；探杆处装有自重块，保证传感器以恒定的角度和压力与待测表面接触，减少测量时人为按压产生的误差；增设外置防风罩，避免环境风速影响待测表面的热平衡；集热片沿被测平板等温面敷设，有效减小对原温场的影响，同时通过弹性柱紧紧压在被测表面也减小了感温点与实际测温点的距离，有效改善了非理想接触的情况。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种表面测温仪，包括探头和温度测量仪表，其特征在于，所述探头包括温度补偿装置、探杆、测量热电偶和控温热电偶；
所述温度补偿装置包括温度控制器和温度补偿块，所述温度补偿块设于探杆的一端的端面上，所述测量热电偶的测量端位于温度补偿块的外部，所述测量热电偶的热电偶丝穿过温度补偿块，所述控温热电偶的测量端设于温度补偿块的内部，所述控温热电偶的参考端设于温度补偿块的外部；
所述测量热电偶的参考端的负极热电偶丝与控温热电偶的参考端的负极热电偶丝电连接，所述测量热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器的负极相连，所述控温热电偶的参考端的正极热电偶丝与温度控制器的正极相连，所述温度控制器的输出端与温度补偿块相连；
所述温度测量仪表的一端连接到测量热电偶的参考端的正极热电偶丝，所述温度测量仪表的另一端连接到测量热电偶的参考端的负极热电偶丝。
2.根据权利要求1所述的表面测温仪，其特征在于，所述探头还包括集热片，所述集热片的形状为带状，所述集热片的纵向截面为弧形，弧形的所述集热片的两端与温度补偿块的端面相连，所述集热片沿温度补偿块的轴向且朝远离温度补偿块的方向突出，所述测量热电偶的测量端位于集热片靠近探头的一面的中央并形成感温点。
3.根据权利要求2所述的表面测温仪，其特征在于，还包括支腿，所述支腿为“L”型，所述支腿的一端与探杆的侧壁相连，所述支腿的另一端沿探杆的轴向朝向温度补偿块，所述支腿的另一端的末端为尖端。
4.根据权利要求3所述的表面测温仪，其特征在于，还包括自重块，所述自重块套设于探杆上且位于支腿与探杆的另一端之间。
5.根据权利要求4所述的表面测温仪，其特征在于，还包括防风罩，所述防风罩套设于探杆上且位于自重块和支腿之间，所述防风罩的开口朝向温度补偿块方向，所述支腿和集热片分别位于防风罩内。
6.根据权利要求5所述的表面测温仪，其特征在于，所述支腿的数目为至少三个。
7.根据权利要求6所述的表面测温仪，其特征在于，所述测量热电偶和控温热电偶与温度控制器之间的导线分别设于探杆内。
8.根据权利要求2所述的表面测温仪，其特征在于，所述探头还包括弹性柱和限位柱；
所述弹性柱的一端与温度补偿块的端面相连，所述弹性柱的另一端朝远离温度补偿块的方向并沿温度补偿块的轴向延伸，所述弹性柱的另一端抵设于集热片靠近温度补偿块的一面上；
所述限位柱的长度小于弹性柱的长度，所述限位柱的一端与温度补偿块的端面相连，所述限位柱位于弹性柱与温度补偿块的边缘之间，所述限位柱与弹性柱平行设置，所述限位柱的另一端抵设于集热片靠近温度补偿块的一面上；
所述弹性柱的数目为至少两个，所述限位柱的数目为至少两个，所述弹性柱对称设置，所述限位柱对称设置。
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