基于斜坡温场中动态温度补偿方法.pdf

29国内统一刊号 CN31-1424TB2023/3 总第298期基于斜坡温场中动态温度补偿方法牛亚琳 钟一峰 朱晨彬 马超 张振彦/上海市计量测试技术研究院摘要提出了将冗余测量方法用于斜坡温场的温度动态补偿。先通过仿真找出该方法中影响温度偏差的因素，并通过数据分析得出不同条件下C 值的大小及其对偏差的影响，然后将两支相同形状材质、热响应时间较长的温度传感器封装在一个不锈钢套管的中心点和边缘，将其放入斜坡温场中进行测量，得出 C 值后按照冗余测量方法的公式进行修正，从而获得与标准值（热响应时间极短的热敏电阻所测得的温度）偏差较小的动态温度曲线。经过公式修正后，修正值与标准值的差值均在 0.2 之内，因此证明方法有效。关键词冗余测量；斜坡温场；动态补偿；热响应时间；示值误差0 引言现有规范和标准中规定需要在稳定的温场中校准温度传感器，大量大型设备的温度传感器不易拆卸，只能在现场进行校准，而现场往往不能提供稳定的温场，且温度传感器存在热响应时间1，这些因素都会使测量值产生较大偏差，因此，研究动态温场瞬时温度的测量方法迫在眉睫。在瞬态温度测量的过程中，为减小测量中的误差，需要对温度传感器的动态特性进行补偿。目前，补偿系统传递函数的数学模型动态校准实验的方法有以下几种2-3：热风洞法、瞬时电加热法、水浴法、激波管法、激光照射法等。通过查阅文献可知，建立传感器动态补偿滤波器模型的方法多种多样，补偿原理也各不相同。Silesian University 的博士团队提出在水体传感器的动态补偿中运用神经网络优化算法，并通过试验取得了成功，使气体检测的响应速度得到了提高4；国内的研究如瞬态高温传感器动态特性分析及爆温测试应用5中提出了一种热电偶温度传感器动态响应特性的分析方法高温火焰法。论文有限空间爆炸瞬态温度的动态补偿方法研究6采用集总热容法建立了热电偶传热模型，将其系统特性简化为一阶惯性系统。论文瞬态温度测试系统动态特性研究7中为了改善热电偶传感器的动态特性，减少测量误差，引入改进型灰狼优化算法，利用该算法直接求取补偿系统的传递函数，从而构建出较好的热电偶动态补偿系统。论文使用冗余测量修正动态温场测量结果8通过对温度传感器动态特性一阶模型的研究分析，提出了一种冗余测量的方法，通过修正公式可以得到相对更准确的动态瞬时温度。对于热电偶温度传感器动态响应特性，国内外学者已进行了深入的研究，但是温度传感器热响应时间的测量与外部介质及温场条件有关，在不同的温场条件下测得的热响应时间不尽相同，这就给现场实际工况的瞬时温度的修正带来了困难，目前查到的研究动态温场特性的文章寥寥无几且并未涉及量化的数据。本文提出了将冗余测量方法用于斜坡温场的温度动态补偿，先通过仿真找到该方法中影响温度偏差的因素，并通过数据分析得出不同条件下 C 值的大小及其对偏差的影响，然后将两支相同形状材质、热响应时间较长的温度传感器封装在一个不锈钢套管的中心点和边缘，将其放入斜坡温场中进行测量，得出 C 值后按照冗余测量方法的公式进行修正，从而获得与标准值（热响应时间极短的热敏电阻所测得的温度）偏差较少的动态温度曲线。1 冗余测量数学模型以热力学中热量平衡方程为基础，通过推导30国内统一刊号 CN31-1424TB2023/3 总第298期可得出动态温场瞬时温度的修正公式，以此修正热响应时间带来的测量误差，从而获得更真实的动态 温度。推导过程如下：根据能量平衡方程，传感器的热平衡方程9为mc dT1dt=A(T0-T1)（1）式中：m 温度传感器的质量；c 温度传感器的比热；T1 温度传感器的温度；T0 环境介质的温度；温度传感器与介质热交换系数；A 温度传感器的表面积令 N=mcA，则可将式（1）改写为N dT1dt+T1=T0 （2）式中：N 传感器的热响应时间N 和 T1是两个可测量，要求出 T0则需要两个方程，因此，本项目中设计使用相同表面积、不同热响应时间的两支温度传感器代替一支放入同一温场中测量瞬时温度，通过式（2）可得，N1N2=T-T1T-T2dT2dtdT1dt （3）式中：T1、T2分别 两支传感器的实测瞬时温度；T 环境瞬时温度；N1、N2分别 两支传感器在实验室环境下测得的热响应时间温度传感器的热响应时间为温度传感器被置于一个阶跃温场中，当温度传感器温度的变化量达到整个阶跃温差的 63.2%时所用的时间。因此，通常实验室内也使用这种方法来试验获得温度传感器的热响应时间10。只要获得了两支传感器的热响应时间及瞬时温度值，就能获得实际温度的瞬时值。式（3）中的dT2dtdT1dt是由动态温场的特性决定的，为了抵消掉这部分的影响，选择两支形状、材质一样的温度传感器，动态温场设定为理想的斜坡温场，可得：N1N2=T-T1T-T2 （4）将两支温度传感器的热响应时间之比定义为 C，即 N1N2=C，则可得出修正公式T=T1-CT21-C （5）2 定制传感器及软件设计本文将两支相同形状材质、热响应时间较长的温度传感器封装在一个不锈钢套管中，一支放在中心点，一支放在边缘处，如图 1 所示。T2T1图 1 温度传感器示意图设计一套软件，该软件可将实时传输到计算机端的 T1、T2数据按照推导的式（5）进行计算，并画出修正后动态温场的实时温度曲线，修正后的温度与标准值（热响应时间极快的热敏电阻所测得的温度）进行比对，得出差值。3 仿真确定C 值的影响量3.1 仿真模型几何模型如图 2 所示，一不锈钢套管整体置于流体介质中心，温度随流体介质温度变化而变化。其中流体域长 600 mm，宽 300 mm，不锈钢套管直径为 8 mm，计算域内设置温度监测点 A、B、C、D，用于研究流体域及不锈钢套管内部不同分布空间内温度场的变化情况，其中 A、B、C、D 位于同一水平面内，点 C 是不锈钢套管的中心点，四点之间间距为 3 mm，点 A 的温度作为标准值。图 2 几何模型31国内统一刊号 CN31-1424TB2023/3 总第298期对不锈钢套管和流体域进行流固耦合，流体域网格尺寸为 0.005 mm，固体域网格尺寸为 0.000 5 mm。初始时刻温度场计算域温度均为 20，几何模型左侧为流体进口，进口速度根据仿真条件设定，上下均为壁面边界条件。3.2 仿真条件改变流体介质：流体介质分别为水、甲醇、空气，固体介质为硫酸钙粉末，初始温度为 20，升温速率为 2 /min，进口流速为 0.4 m/s。改变升温速率：流体介质为水，固体介质为硫酸钙粉末，初始温度为 20，升温速率分别为 2 /min、5 /min、20 /min，进口流速为 0.4 m/s。改变流速：流体介质为水，固体介质为硫酸钙粉末，初始温度为 20，升温速率为 2 /min，进口流速分别为 0.4 m/s、0.75 m/s、1.0 m/s、10 m/s、40 m/s。3.3 结论因数据太多，这里仅列举一个结果。当流体介质为水，固体介质为硫酸钙粉末，初始温度为 20，升温速率为 2 /min，进口流速为 0.4 m/s 时，A、B、C、D 四个温度点的温度实时曲线如图 3 所示，图中A 点温度曲线为深线，B 点温度曲线为浅线，C 点温度曲线为蓝线，D 点温度曲线为黑线。从图 3 中可以看出，测温点 A、B、C、D 在实验开始后的 75 s，温度斜率基本平行。图 3 测温点 A、B、C、D 的温度实时曲线去掉前 75 s 的数据，将四条线进行线性拟合，得出 4 个截距，利用冗余测量中的计算公式 C=T-T1T-T2=T 的截距-T1的截距T 的截距-T2的截距，可计算出 C 值。不同条件下 C 值及 C 值改变 0.1 后对温度偏差的影响汇总如表 16 所示。1）不同流体介质下的 C 值及 C 值的改变对温度偏差的影响见表 12。表 1 不同流体介质下的 C 值流体介质水甲醇空气热导率 Wm-1K-10.60.202 20.024 2D 点 C 值0.600.650.99B 点 C 值0.670.790.98表 2 不同流体介质下 C 值的改变对温度偏差的影响流体介质水甲醇空气D 点 C 值0.50.60.70.550.650.750.890.992 68与标准值差值/-0.23-0.010.38-0.340.060.62-27.31-0.58B 点 C 值0.570.670.770.690.790.890.880.981 86与标准值差值/-0.27 0.0050.51-0.50-0.002 1.40-24.171.452）不同升温速率下的 C 值及 C 值的改变对温度偏差的影响见表 34。表 3 不同升温速率下的 C 值升温速率2min-15min-120min-1D 点 C 值0.600.600.60B 点 C 值0.670.670.67表 4 不同升温速率下 C 值的改变对温度偏差的影响升温速率2min-15min-120min-1D 点 C 值0.50.60.70.50.60.70.50.60.7与标准值差值/-0.23-0.010.38-0.60-0.030.93-2.4-0.073.84B 点 C 值 0.570.670.770.570.670.770.570.670.77与标准值差值/-0.27 0.0050.51-0.67 0.0051.29-2.700.045.183）不同流速下的 C 值及 C 值的改变对温度偏差的影响见表 56。表 5 不同流速下的 C 值流速0.4ms-10.75ms-11ms-110ms-140ms-1D 点 C 值0.600.560.550.520.51B 点 C 值0.670.640.630.560.53DABC温度/K32国内统一刊号 CN31-1424TB2023/3 总第298期4 实验步骤及数据分析4.1 实验步骤1）将定制的温度传感器和热响应时间极快的热敏电阻同时放置在恒温槽中进行校准，温度校准点为 0、50、100。2）将定制的温度传感器和热响应时间极快的热敏电阻放入介质为油的斜坡温场中，并连接FLUKE1529 温度显示仪，通过软件将数据实时传输至计算机，得到三组数据。先将三组数据根据表 7中的修正值进行修正，再将这三组数据进行线性拟合，拟合成三条直线，得出三条直线的截距，可计算出 C 值，进而得出修正后的温度 T=1-CT1-CT2，与标准值（热响应时间极短的热敏电阻测得的温度值）进行比对，得出差值。表 7 定制温度传感器与热敏电阻的实测值标准值/定制温度传感器T1/定制温度传感器T2/热敏电阻/00.030.030.005050.1750.0450.00100100.16100.06100.003）重复上述步骤，将第一遍得出的 C 值直接代入计算，得出修正后的温度 T，与标准值进行比对以验证重复性。4.2 实验数据及分析将定制的温度传感器和热响应时间极快的热敏电阻放入介质为油的斜坡温场中，初始温度为常温，终止温度为 120，升温速率为 2 /min,将数据实时传输至计算机，得出 C 值等于 0.679，进而得出修正后的温度 T，减去标准值即得出示值误差，结果如图 4、表 8 所示。图 4 中通道 1 为 T1，通道 4 为T2，通道 3 为标准值，修正值为 T1、T2通过修正公式计算的数值。时间/s温度/图 4 定制温度传感器实时修正图从图 4、表 8 中可以看出，修正值与标准值的误差均在 0.2 之内。表 6 不同流速下 C 值的改变对温度偏差的影响流速0.4ms-10.75ms-11ms-110ms-140ms-1D 点 C 值0.50.60.70.460.560.660.450.550.650.420.520.620.410.510.61与标准值差值/-0.23-0.010.38-0.20-0.0040.30-0.190.0050.30-0.150.010.26-0.16-0.0090.22B 点 C 值0.570.670.770.540.640.740.530.630.730.460.560.660.430.530.63与标准值差值/-0.270.0050.51-0.23-0.0040.40-0.220.0020.39-0.170.010.28-0.17-0.0150.23表 8 定制温度传感器实时修正数据通道 1（T1）/通道 1 修正值/通道 3（标准值）/通道 4（T2）/通道 4 修正值/修正值/修正值与标准值的误差/61.6561.4962.0761.3161.2661.97-0.1061.6761.5162.1061.3361.2862.00-0.1061.7061.5462.1361.3661.3162.02-0.1161.7361.5762.1661.3961.3462.05-0.1161.7561.5962.1961.4161.3662.08-0.1161.7861.6262.2161.4461.3962.10-0.1161.8061.6462.2461.4661.4162.13-0.1261.8361.6762.2761.4961.4462.15-0.1261.8661.7062.3061.5261.4762.18-0.1261.8861.7262.3361.5461.4962.21-0.13重复本文 4.1 中 1）、2）的步骤，将第一遍得出的 C 值 0.679 直接代入计算，得出修正值，与通道 3（标准值）进行比对，结果如图 5、表 9 所示。从图 5、表 9 中可以看出，修正值与标准值的误差均在 0.2 之内。同样的方法得出在升温速率为 5 /min 的油槽中 C=0.734，具有复现性，修正33国内统一刊号 CN31-1424TB2023/3 总第298期值与标准值的误差小于 0.2。时间/s温度/图 5 重复试验定制温度传感器实时修正图5 结语为了消除被测温场特性对温度传感器热响应时间的影响，本文将冗余测量方法用于斜坡温场的温度动态补偿，先通过仿真找出该方法中影响温度偏差的因素，并通过数据分析得出 C 值的大小对偏差的影响，结果如下：1）改变流体介质：固体介质为硫酸钙粉末，初始温度为 20，升温速率为 2 /min，进口流速为0.4 m/s。当流体介质为水、甲醇、空气时，D 点 C值为 0.60.99，C 值变化 0.1，与标准值的差值范围为-27.310.62 ；B 点 C 值为 0.670.98，C 值变（下转第 38 页）表 9 重复试验定制温度传感器实时修正数据通道 1（T1）/通道 1 修正值/通道 3（标准值）/通道 4（T2）/通道 4 修正值/修正值/修正值与标准值的误差/63.9763.8164.3963.5563.5064.460.0763.9963.8364.4263.5863.5364.480.0664.0263.8664.4663.6363.5864.450.0064.0763.9164.5063.6563.6064.560.0664.1063.9464.5463.6863.6364.590.0564.1563.9964.5763.7163.6664.700.1364.1864.0264.6063.7663.7164.670.0664.2064.0464.6363.7963.7464.690.0664.2564.0964.6763.8163.7664.800.1364.2864.1264.7063.8663.8164.770.07化 0.1，与标准值的差值范围为-24.171.45。2）改变升温速率：流体介质为水，固体介质为硫酸钙粉末，初始温度为 20，进口流速为 0.4 m/s。当升温速率为 220 /min，D 点 C 值为 0.6，C 值变化 0.1，与标准值的差值范围为-2.43.84 ；B点 C 值为 0.67，C 值变化 0.1，与标准值的差值范围为-2.75.18。3）改变进口流速：流体介质为水，固体介质为硫酸钙粉末，初始温度为 20，升温速率为 2 /min。当进口流速为 0.440 m/s 时，D 点 C 值为 0.60.51，C 值变化 0.1，与标准值的差值范围为-0.230.38；B点C值为0.670.53，C值变化0.1，与标准值的差值范围为-0.270.51。将两支相同形状、材质的温度传感器封装在一个不锈钢套管的中心点和边缘处，将其放入可控升温速率的油槽中进行测量，初始温度为常温，终止温度为 120，得到实际数据后按照冗余测量方法的公式进行修正，结论如下：当升温速率为 2 /min 时，C 等于 0.386，具有复现性；当升温速率为 5 /min 时，C 等于 0.761，具有复现性。经过公式修正后，修正值与标准值的差值均在0.2 之内，因此，证明方法有效。参考文献1 董斌，周刚，刘立强，等.温度计的热响应时间对动态测温的影响J.低温工程，2012（6）：33-36.2 刘斌，黄战华，蔡怀宇.基于差动电路的准连续半导体激光器驱动设计J.激光技术，2015，39（2）：166-169.3 祁漫宇，丁炯，杨遂军，等.薄膜热电偶温度传感器动态标定的仿真研究J.计算机仿真，2016，33（6）：325-330.4 Roj Jerzy.Correction of Dynamic Errors of a Gas Sensor Based on a Parametric Method and a Neural Network TechniqueJ.Sensors(Basel,Switzerland)，2016，16（8）：页码不详.5 赵学敏.瞬态高温传感器动态特性分析及爆温测试应用D.太原：中北大学，2017.6 张龙，廖旭东，张宝国.有限空间爆炸瞬态温度的动态补偿方法研究J.传感技术学报，2020，33（6）：861-866.7 张延雪.瞬态温度测试系统动态特性研究D.长春：长春理工大学，2020.8 钟一峰，朱晨彬，牛亚琳.使用冗余测量修正动态温场测量结果J.上海计量测试，2020，47（6）：17-19.9 朱杰，郭涛.一种Pt100温度传感器的动态热响应模型J.传感技术学报，2013，26（1）：73-77.10 傅元，董宇哲，李德健，等.热电偶时间常数的测量J.微计算机信息，2012（10）：128-130.38国内统一刊号 CN31-1424TB2023/3 总第298期设备、校准项目、校准方法及校准结果不确定度评定等分析探讨，并提供实际校准耐溶剂擦拭仪的校准结果不确定度评定分析。校准方法的研究，为各级计量技术机构开展耐溶剂擦拭仪校准提供技术依据，保证耐溶剂擦拭仪的量值经过科学合理的溯源传递，提高涂料产品检测质量，满足实际使用需求。同时也为其他种类耐溶剂擦拭仪提供校准方法参考，为产品检验结果的准确度提升提供方法和依据，助力更多产品和设备的创新和研发。参考文献1 全国涂料和颜料标准化技术委员会.GB/T 239892009涂料耐溶剂擦拭性测定法S.北京：中国标准出版社，2008.2 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1059.12012 测量不确定度评定与表示S.北京：中国质检出版社，2013.3 福州瑞闽铝材彩涂有限公司.一种铝板涂层耐溶剂性检测机构与检测方法：202210759878.8 P.2022-07-284 上海丰野表面处理剂有限公司.一种涂料耐溶剂性能检测装置：201921090525.3 P.2019-07-125 钟金德.电子计数式转速表原理及测量结果的数据处理J.电子元器件与技术，2018（12）：102-104.6 林粦芳.不留痕试验仪校准方法J.上海计量测试，2020（4）：21-24.7 蔡开城.一种水平速度校准方法及装置的研究J.计量与测试技术.2022，49（8）：32-35.8 洪佳，陈子博.胶带持粘性测试仪校准方法的探讨J.计量测试与检定.2022，32（3）：15-17.9 孙晓霆，林晓秋，陈绍俊.鞋类橡胶部件喷霜试验箱校准方法的研究J.中国计量，2019（2）：128-129.10 邹在平，吴悦梅，赵秀丽.聚碳酸脂耐溶剂性能研究进展J.材料导报，2021，35（5）：05199-05205.Discussion on the calibration method of solvent resistant wiping instrumentZhong JindeFujian Metrology Institute；Key Laboratory of State Administration of market supervision（force measurement test）；Fujian Provincial Key Laboratory of Force MeasurementAbstract:Based on the national standard GB/T 239892009,this article elaborates on the working mechanism of solvent resistant wiping instruments,analyzes the metrological characteristics of the instruments,selects standard instruments that meet the requirements,and proposes a calibration method for the metrological performance of solvent resistant wiping instruments.At the same time,the measurement uncertainty of important parameters such as the diameter of the wiping head,wiping stroke,load,wiping speed,etc.of the solvent resistant wiping instrument are evaluated to provide technical reference for various metrological technical institutions to carry out the calibration of the solvent resistant wiping instrument.Key words:solvent resistant wiping instrument;quantity traceability;uncertainty assessmentResearch on dynamic temperature compensation method based on slope temperature fieldNiu Yalin，Zhong Yifeng，Zhu Chenbin，Ma Chao，Zhang Zhenyan（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）Abstract:This article proposes the use of redundant measurement methods for temperature dynamic compensation in a slope temperature field.Firstly,the factors that affect temperature deviation in this method are identified through simulation,and the size of the C value under different conditions and its impact on deviation are analyzed through data.Then,two temperature sensors with the same shape and long thermal response time are packaged at the center and edge of a stainless steel casing,and placed in the slope temperature field for measurement,After obtaining the C value,it is corrected according to the formula of the redundant measurement method to obtain a dynamic temperature curve with a small deviation from the standard value(temperature measured by thermistors with extremely short thermal response time).After formula correction,the difference between the corrected value and the standard value is within 0.2,thus proving the effectiveness of the method.Key words:redundant measurement;slope temperature field;dynamic compensation;thermal response time;Indication error（上接第 33 页）