基于铁磁材料导磁能力变化检测的测温装置及其测温方法
技术领域
[0001] 本
发明属于
温度感知测量技术领域，具体涉及一种基于铁磁材料导磁能力变化检测的测温装置及其测温方法。
背景技术
[0002] 温度作为一个非常重要的指标参数，在工业、医疗、军事和生活等许多领域，都需要用到测温装置来监测温度，温度的测量监测已经成为各行各业进行安全生产和减少损失采取的重要措施之一。在工业制造中，许多加工环节需要在不同温度下进行，并且对温度的精准度有明确的要求，常用的测温技术有热电耦测温、热敏
电阻测温、
半导体测温、光纤测温、红外测温以及无线测温技术。传统的
接触测温方式中, 中低温通常采用热电阻测量，在高温测量环境下主要采用
热电偶, 廉金属热电偶主要用于1300 ℃以下的温度测量, 1300 ℃以上高温温度
传感器主要为铂、铑等贵金属材料制作的热电偶和钨铼热电偶。
[0003] 导磁物质由许多微观的
磁畴组成，在低温时，铁
氧体、
硅钢片、电工纯铁等铁磁材料的磁畴磁矩排列有序，磁导率较高，随着温度的上升，金属
原子热运动加剧，使磁畴磁矩排列逐渐变得无序，磁导率减小，当温度继续上升至
居里温度附近，由于高温下原子的剧烈运动，磁畴磁矩的排列混乱无序，整体呈现为失去
磁性。对于非晶
合金而言，在温度变化过程中呈现复杂的磁特性变化。
[0004] 《非晶合金J-A模型修正》（
电机与控制学报[J]，2014年第7期，李超）中通过对多种铁磁材料的实验研究，证明磁导率会随温度变化，以其温度特性的不同可以将铁磁材料分为两类：①硅钢片、坡莫合金、电工纯铁和铁氧体等；②
纳米晶和非晶合金。以硅钢片和非晶合金为例，其最大磁导率的温度特性曲线如图1所示，其中电工纯铁102、硅钢片103的最大磁导率随着温度的上升而减小，到达居里温度附近时，磁导率快速降低直至接近于零。而非晶合金101的最大磁导率的温度特性较复杂，随着温度的上升，非晶合金磁导率增大，上升至一定温度后磁导率达到最大值，定义此温度为Tb，随着温度的继续上升，磁导率减小，到达居里温度Tc附近时，磁导率急剧下降，直至接近于零。
[0005] 《J-A模型误差修正和温度特性仿真》（电工技术学报[J]，2014年第9期，李超等）中采用新日铁生产的
冷轧有
取向硅钢片（型号Z110）进行实验验证，硅钢片厚度为0.23mm，闭合磁环内半径40mm，外半径70mm，宽度为40mm，通过对硅钢片磁环的BH实际测量，得到随温度变化的极限
磁滞回线如图2所示，发现随温度的上升，饱和磁化强度减小、
矫顽力减小、剩磁减小、矫顽力点/剩磁点斜率增大。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种基于铁磁材料导磁能力变化检测的测温装置及其测温方法，利用不同温度下铁磁材料导磁能力变化的特征，通过识别这些特征的变化进行温度的测量，选择合适的导磁材料以及测温量程，使得导磁材料的磁导率在此测温量程区间内具有随温度而单向变化的特征，即随着温度的变化磁导率进行单向的增大或减小，本发明利用这个特征，通过建立温度与导磁能力二者的数据关系并进行量化标定，然后根据导磁能力的变化特征间接获得温度数据，实现温度测量。
[0007] 测温装置的组成包括温度测量系统、直流电源系统、交流电源系统、直流绕组线圈、交流绕组线圈以及具有闭合磁回路的铁心，其中直流电源系统与直流绕组线圈连接，交流电源系统与交流绕组线圈连接，直流绕组线圈、交流绕组线圈缠绕在铁心的外侧，直流电源系统、交流电源系统与温度测量系统连接。
[0008] 测温方法包括以下步骤：
[0009] 第一步：将测温装置与待测温物体表面紧密接触；
[0010] 第二步：将直流电源系统与直流绕组线圈连接，交流电源系统与交流绕组线圈连接；
[0011] 第三步：温度测量系统控制直流电源系统、交流电源系统输出的
电压、
电流并获得电压电流的实时
采样数据；
[0012] 第四步：温度测量系统根据电压电流的实时采样数据，识别铁心导磁能力的变化，实时计算出当前的铁心温度。
[0013] 识别铁心导磁能力的变化通过计算BH曲线的不对称度、测量偏磁直流Idc以及交流电压Uac的变化实现。
[0014] 根据绕组线圈与铁心的空间
位置，测温方法具体可分为接触式测量和非接触式测量。
[0015] 接触式测量中绕组线圈直接绕在铁心上，待测温物体与无线圈缠绕的局部铁心紧密接触，或将铁心与待测温物体紧密接触后，线圈绕制在铁心与待测温物体的外侧，接触式测量中铁心的局部或测温装置整体与待测温物体表面紧密接触，绕组与铁心之间一起承受待测温物体的温度。
[0016] 非接触式测量中将铁心与待测温物体紧密接触后，线圈缠绕在铁心与待测温物体的外侧，铁心承受待测温物体的温度，铁心以及待测温物体与绕组线圈之间通过填充物进行充分的电、热的绝缘以及隔离，其中绕组与待测温物体不直接接触。或将线圈经过充分的电、热的绝缘以及隔离后缠绕在铁心上，待测温物体与无线圈缠绕的局部铁心紧密接触，绕组不与铁心一起承受待测温物体的温度。
[0017] 通过计算BH曲线的不对称度测量温度的具体步骤如下：
[0018] 第一步：对交流绕组线圈两端的交流电压Uac和流过的励磁电流Iexc进行高速数字采样，将
波动的电压和电流转换为表征其变化过程的采样数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，电流数据作为H_one_wave
序列表现
磁场强度H的变化，分别以B、H为纵、横坐标轴，逐点绘制，重构出BH曲线。
[0019] 第二步：分别找出BH曲线的B、H轴方向的极大值、极小值以及新的中心点，以新的中心点为原点构建新的参考
坐标系将BH曲线分割为四个象限，然后分别求出在新坐标系中第一象限、第三两个象限内极值点与坐标轴形成的矩形面积，计算得出表征BH曲线特征的BH曲线不对称度k_asy。
[0020] 第三步：根据计算出的BH曲线不对称度k_asy，通过查找比对BH不对称度-温度的关系曲线即可获得当前铁心的温度。
[0021] 通过测量偏磁直流Idc实现温度测量的具体步骤如下：
[0022] 交流电源系统中的交流电压Uac固定，调控直流电源系统的电压Udc，改变直流绕组线圈中的偏磁直流Idc大小从而让铁心逐渐进入偏磁后的单侧饱和工作状态，随着直流偏磁场的增大，铁心的磁滞回线逐渐进入单侧饱和区域回环，交流绕组线圈中的励磁电流Iexc也逐渐增大，通过调整偏磁直流Idc的大小，直流绕组线圈中的励磁电流Iexc将随之改变，不断增大偏磁直流Idc，直到励磁电流Iexc的峰值达到某个设定值，此时停止调整偏磁直流Idc，由于不同温度下铁心的导磁能力存在差异，根据此时的直流偏磁电流Idc大小，通过偏磁直流-温度的关系曲线即可获得当前铁心的温度数据。
[0023] 通过测量交流电压Uac实现温度测量的具体步骤如下：
[0024] 直流电源系统控制直流绕组线圈中的偏磁直流Idc固定不变，从而保持铁心中的直流偏磁恒定，通过改变交流电源系统中的交流电压Uac，让铁心进入偏磁后的单侧饱和工作状态，随着交流绕组线圈两端交流电压Uac的改变，交流绕组线圈中的励磁电流Iexc也会发生改变，通过调整交流电压Uac的大小，直到交流绕组线圈中的励磁电流Iexc的峰值达到某个设定值，此时停止调整交流电压Uac，由于不同温度下铁心的导磁能力存在差异，通过交流电压-温度的关系曲线即可获得当前铁心的温度数据。
[0025] 通过测量偏磁直流Idc、交流电压Uac实现温度测量的具体步骤如下：
[0026] 通过不断调整偏磁直流Idc或交流电压Uac，改变BH曲线的不对称度，直至不对称度稳定在某一个设定的目标数值，然后使用偏磁直流-温度、交流电压-温度的关系曲线，通过查找比对获得当前铁心的温度。
[0027] 有益效果
[0028] 本发明可以实现接触式和非接触式温度的测量，提供了一种基于铁磁材料导磁能力变化检测的测温装置及其测温方法，实现温度的精确可靠测量，避免了使用传统温度
探头的温度衰减和测量误差。采用双绕组线圈设计，避免了铁心进入深度饱和区时出现的励磁涌流，降低了对工作电源容量的要求，实现试验设备的小型化、轻量化。
附图说明
[0029] 图1为铁心的最大磁导率随温度变化关系图。
[0030] 图2为铁心在不同温度下的磁滞回线。
[0031] 图3为测温装置结构原理示意图。
[0032] 图4为线圈中交流电压与励磁电流关系图。
[0033] 图5为不同温度下重构的铁心BH曲线。
[0034] 图6 为BH曲线不对称度的计算原理图。
[0035] 图7为BH曲线不对称度—温度关系曲线。
[0036] 图8为线圈中直流偏磁电流—温度关系曲线。
[0037] 图9为线圈中交流电压—温度关系曲线。
[0038] 图10 为非接触式测温原理示意图。
具体实施方式
[0039] 根据图1中的曲线可以看出，通过合理的选择测温量程的工作区间，使得磁导率在此测温量程工作区间内具有随温度而单向变化的特征，即随着温度的变化磁导率进行单向的增大或减小，本发明利用这个特征，通过建立温度与导磁能力二者的数据关系并进行量化标定，从而实现通过导磁能力的变化识别间接获得铁心的温度，实现温度测量。
[0040] 如下以常见的随温度升高磁导率降低的硅钢片来进行本发明原理的具体实施阐述，实际应用中也可以根据需要选择不同温度特性的导磁材料，本测温原理的实施中包括但不限于随温度升高磁导率降低以及随温度升高磁导率增大的导磁材料。
[0041] 测温装置的组成结构图3所示，包括温度测量系统307、直流电源系统304、交流电源系统305、直流绕组线圈301、交流绕组线圈302以及一个形成闭合磁回路的铁心303，每个绕组均与一个配套的独立电源连接，直流电源系统304、交流电源系统305与温度测量系统307连接。可将铁心303的局部或测温装置整体与待测温物体表面306紧密接触。直流电源系统304与直流绕组线圈301连接，在直流电压Udc的作用下，直流绕组线圈301中通过某一数值的偏磁直流电流Idc，从而在铁心中形成直流偏磁，交流电源系统305与交流绕组线圈302连接，在交流电压Uac的作用下，交流绕组线圈302中流过励磁电流Iexc。
[0042] 温度测量系统307、直流电源系统304、交流电源系统305在实际应用中既可以如图3所示的分立模
块实现，也可以集中在一个或多个模块上实现。
[0043] 温度测量系统307根据需要控制直流电源系统304、交流电源系统305输出的电压、电流并获得电压电流的实时采样数据，温度测量系统307负责协调直流电源系统304和交流电源系统305之间电压电流的分工配合，温度测量系统307根据电压电流的实时采样数据实时计算出当前的铁心温度。
[0044] 形成闭合磁回路的铁心303可以采用环形CT铁心的卷铁心方式或者
变压器的叠铁心方式，其中卷铁心采用连续卷制成型，中间不存在气隙，而叠铁心则在搭接处存在气隙，随着温度的变化，气隙的大小会发生变化，导磁特性也会随之改变，影响测温
精度。
[0045] 当测温装置铁心303所用硅钢片的磁导率与温度关系曲线如图1中103曲线所示时，不同温度下由于铁心的磁导率变化磁滞回线也会发生相应的变化，具体如图2所示，其中201、202、203对应的温度依次从低到高，可以看出随着铁心温度的升高，磁滞回线的饱和点和剩磁均降低，同时磁滞回线所包围形成的面积也在缩小。
[0046] 随着温度的升高，绝缘材料的绝缘性能急剧降低，为了避免高温对绕组绝缘性能的影响，根据绕组与铁心的空间位置，具体可分为温度的接触式测量和非接触式测量，其中接触式测量具体如图3所示，线圈直接绕在铁心上，待测温物体306与无线圈缠绕的局部铁心紧密接触，另外在某些应用中，也可以将铁心303与待测温物体306紧密接触后，线圈绕制在铁心与待测温物体外侧的方式，接触式测量中铁心303的局部或测温装置整体与待测温物体306表面紧密接触，绕组与铁心之间一起承受待测温物体的温度。
[0047] 在某些高温测量应用中，为了避免高温对绕组绝缘性能的影响，可以采用如图10所示的非接触式测量方式，形成闭合磁回路的铁心局部或整体与待测温物体紧密接触，线圈缠绕在铁心与待测温物体的外侧，铁心承受待测温物体的温度，铁心以及待测温物体与线圈之间通过填充物1001进行充分的电、热的绝缘以及隔离，其中绕组线圈与待测温物体不直接接触。另外在某些应用中，也可以将线圈经过充分的电、热的绝缘以及隔离后绕在铁心上，待测温物体306与无线圈缠绕的局部铁心紧密接触，绕组不与铁心一起承受待测温物体的温度。在如图10所示的非接触式测量方式中，线圈与铁心之间通过电磁耦合建立联系，根据线圈的电压电流信息间接获得铁心的导磁特性信息，从而获得物体的温度数据，实现温度的非接触测量，由于铁心与待测温物体直接接触，避免了使用传统
温度探头与待测温物体之间无法直接接触以及由于隔离材料等导致的温度衰减和测量误差。在某些高温测量应用中，线圈绕组还可以采用
风冷、
水冷或其他冷却方式予以降温避免线圈绕组高温下的绝缘性能降低，从而实现对待测温物体的非直接接触方式的精确温度测量。
[0048] 在接触式和非接触式测温应用中，根据待测温物体的形状，测温装置中的铁心303可以局部或整体的与待测温物体表面306紧密接触，也可以将包括线圈的测温装置整体与待测温物体表面306紧密接触。
[0049] 当直流绕组线圈301中存在偏磁直流电流Idc时，在直流偏磁场及交流励磁电压的作用下，铁心303的BH曲线呈现进入单侧饱和区域的偏磁特征，此时，在交流绕组线圈302两端的电压Uac作用下铁心的磁滞回线如图4中的401曲线所示，交流绕组线圈302两端的电压Uac与交流绕组线圈302中励磁电流Iexc的关系如图4中的402、403曲线所示，交流绕组线圈302在其两端的交流电压Uac的作用下，交流绕组线圈302中的励磁电流Iexc由于铁心的单侧饱和而呈现如图4中403所示的明显的励磁涌流特征，交流电压Uac的
波形如图4中402所示。
[0050] 为了避免铁心进入深度饱和区时交流绕组线圈302中出现较大的励磁涌流，从而降低对试验电源容量的要求，实现试验设备的轻量化，需要直流绕组线圈301和交流绕组线圈302之间相互配合，从而避免铁心进入深度饱和区域，铁心303的导磁特性可以通过如下四种方式予以量化从而间接获得铁心的温度。
[0051] 实施方案一（偏磁直流Idc固定，试验电压Uac固定）：
[0052] 通过对直流电源系统304中电压Udc的控制，让直流绕组线圈301中流过的直流Idc固定在某一设定数值，从而对铁心形成固定的直流偏磁场，在交流电源系统305中对施加在交流绕组线圈302两端的电压Uac和流过的励磁电流Iexc进行数字采样后，通过
软件算法重构出如图5所示的铁心等效BH曲线，从图5可以看出，相同的电压Uac下，由于直流偏磁的存在，BH曲线不再对称并且偏向一侧，在不同温度时由于磁导率的变化重构出来的BH曲线形状特征存在差异。其中501、502、503对应的温度依次从低到高，可以看出随着铁心温度的升高，磁滞回线的形状发生了变化。
[0053] 为了量化上述重构出来BH曲线的特征以便进行比对，采用如图6所示的BH曲线不对称度的计算原理，将不同温度下的对应的BH曲线的不对称度计算出来，BH曲线不对称度的具体计算步骤为：
[0054] 对交流绕组线圈302两端的交流电压Uac和流过的励磁电流Iexc进行高速数字采样，将波动的电压和电流转换为表征其变化过程的采样数据序列，根据数据的采样率和电源的
频率，截取本时刻之前一个完整周波的电压电流采样数据序列，当交流电源Uac的频率为50HZ时，也就是20ms的采样数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列构造出图6所示的BH曲线。max函数可以找出
指定数据序列中的最大值，min函数可以找出指定数据序列中的最小值，使用max、min分别找出本周波BH曲线的B、H轴方向的极大值、极小值，具体程序处理如下：
[0055] BH曲线椭圆的H轴方向极大值点H_max = max(H_one_wave)；
[0056] BH曲线椭圆的H轴方向极小值点H_min = min(H_one_wave)；
[0057] BH曲线椭圆的B轴方向极大值点B_max = max(B_one_wave)；
[0058] BH曲线椭圆的B轴方向极小值点B_min = min(B_one_wave)；
[0059] 基于上述数据，图6中BH曲线的A、C两点的坐标分别为A(H_max，B_max)、C(H_min，B_min)， 由于交流电压Uac是交流模式，根据交流电的中心对称特性，重构出的BH曲线H轴方向等效中心始终为“0”，即D点坐标中X0=0，而B轴方向中心Y0 = (YB_max + B_min) / 2，故D点坐标为D（0，(B_max + B_min) / 2），以D点为原点构建新的参考坐标系，其横轴、纵轴将BH曲线分割为四个象限，具体如图6所示。然后分别求出新坐标系中A、C两点在第一、第三两个象限内与坐标轴所形成的第一矩形面积S1、第三矩形面积S3，第一矩形面积S1、第三矩形面积S3具体组成如图6中的阴影部分所示，据此计算出本BH曲线的不对称度k_asy，计算步骤如下：
[0060] S1 = | H_max * (B_max –(B_max + B_min) / 2) |；
[0061] S3 = | H_min * (B_min –(B_max + B_min) / 2) |；
[0062] k_asy=|S1 - S3| / ( S1 + S3 )；
[0063] 根据上述BH曲线的不对称度k_asy，使用如图7所示的事先标定好的温度与BH不对称度的关系曲线701，通过查找比对即可获得当前铁心的温度。
[0064] 实施方案二（偏磁直流Idc变化，交流电压Uac固定）：
[0065] 交流电源系统305中的交流电压Uac固定，调控直流电源系统304的电压Udc，改变直流绕组线圈301中的偏磁直流Idc大小从而让铁心逐渐进入偏磁后的单侧饱和工作状态，随着直流偏磁场的增大，铁心磁滞回线逐渐进入单侧饱和区域回环，交流绕组线圈302中的励磁电流Iexc也逐渐增大，通过调整偏磁直流Idc的大小，交流绕组线圈302中的励磁电流Iexc将随之改变，具体如图4中的403所示，不断增大偏磁直流Idc，直到励磁电流Iexc的峰值达到某个设定值，此时停止调整偏磁直流Idc，由于不同温度下铁心的导磁能力存在差异，根据此时的直流偏磁电流Idc大小，通过如图8所示的偏磁直流与温度的关系曲线801即可获得当前铁心的温度数据。
[0066] 另外，由于随着温度的变化，铁心的饱和程度也会改变，通过不断调整偏磁直流Idc，BH曲线不对称度也会随之变化，直至不对称度稳定在某一个设定的目标数值，然后使用事先标定的如图8所示的温度与偏磁直流Idc的关系曲线，通过查找比对即可获得当前铁心的温度。
[0067] 实施方案三（偏磁直流Idc固定，交流电压Uac变化）：
[0068] 直流电源系统304控制直流绕组线圈301中的偏磁直流Idc固定不变，从而保持铁心中的直流偏磁恒定，通过改变交流电源系统305中的交流电压Uac，让铁心进入偏磁后的单侧饱和工作状态，随着交流绕组线圈302两端交流电压Uac的改变，交流绕组线圈302中的励磁电流Iexc也会发生改变，通过调整交流电压Uac的大小，直到交流绕组线圈302中的励磁电流Iexc的峰值达到某个设定值，此时停止调整交流电压Uac，由于不同温度下铁心的导磁能力存在差异，通过如图9所示的交流电压与温度的关系曲线901即可获得当前铁心的温度数据。
[0069] 另外，由于随着温度的变化，铁心的饱和程度也会改变，通过不断调整交流电压Uac，BH曲线不对称度也会随之变化，直至不对称度稳定在某一个设定的目标数值，此时使用事先标定的如图9所示的温度与交流电压Uac的关系曲线901，通过查找比对即可获得当前铁心的温度。
[0070] 实施方案四（偏磁直流Idc变化，交流电压Uac变化）：
[0071] 综合上述三种实施方案的工作原理，为了避免由于铁心进入深度饱和区时导致BH曲线不对称度的变化不明显以及深度饱和导致的励磁涌流过大，结合实施方案二和实施方案三的特点，在测温过程中可采用不同的偏磁直流Idc以及不同的交流电压Uac，通过二者的动态组合，实现温度的测量。
[0072] 为了提高温度的测量精度，交流电压Uac、偏磁直流Idc可通过分区间段的方式来实现不同温度区间的测量
分辨率，即图7、图8、图9中的曲线可以标定多组，形成曲线簇，在测量时可以根据需要自动根据需要，实现由粗到细、由模糊到精确的温度逼近测量。具体为：在测量初期，首先在曲线簇中选择一条能够
覆盖整个测温区间的曲线进行测量，然后根据获得的温度的粗略初值再选择其对应区间段的标定曲线进行二次测量，从而实现温度的较高分辨率测量。
[0073] 不同偏磁直流Idc以及交流电压Uac对应BH曲线不对称度-温度曲线簇、交流电压-温度曲线簇、偏磁直流-温度曲线簇，在实际温度测量时可以根据需要从曲线簇中选择一条使用以提高不同温度区间内的温度分辨精度。
[0074] 上述为四种实施方案，在具体应用中，为了提高测温的精确度，避免铁心初始剩磁的
叠加影响，在测温前需要对铁心进行自动退磁处理，具体可以使用直流或交流退磁方法。
[0075] 偏磁直流和交流电压的协同配合，可以控制铁心饱和时进入饱和区的深度，从而控制了励磁电流的大小，避免了由于深度饱和导致的励磁涌流过大，降低了对工作电源的容量要求，从而实现测温装置的小型化、轻量化。
[0076] 上述测温过程中的各曲线可以通过标定的方式获得，具体标定过程为：针对某一个材质的铁心，不断改变铁心的温度，使用
温度计实时测量并记录铁心的温度，同时根据上述实施方案中的具体方案实时记录直流偏磁电流、交流励磁电流以及BH曲线的不对称度，然后根据实测的温度以及直流偏磁电流、交流励磁电压、BH曲线的不对称度作图即可获得如图7、图8、图9所示的温度关系曲线。在每次标定前，需进行一次铁心的退磁处理，以便读数的准确可靠。针对批量生产的同类型产品，可以采取抽样实测方式获得本批产品的数据曲线。
[0077] 针对上述多组变量组合进行多次标定后即可获得其曲线簇。
[0078] 上述实施方案中的铁心不仅可以采用磁特性随着温度的变化而减小的导磁材料，也可以采用磁特性随着温度的变化而增大的导磁材料，具体实现可以参考上述实施方案，部分曲线的变化趋势具体如图7、图8、图9中的曲线702、802、902所示，由于测温原理的通用性，具体实施过程在此不再展开描述。
[0079] 上述交流电源频率不仅可以为工频50HZ，也可以根据需要选择使用其他频率。
[0080] 本测温方法不仅可以应用于工业中，也可以应用于民生领域，如电饭煲、电磁炉等加热电器的温度测量与控制。
[0081] 本
说明书的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本
申请的一部分，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0082] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
