温度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，具体而言，本发明涉及温度测量装置及测量方法。

背景技术

温度测量是现代工业生产过程中控制管理的重要监测指标，温度测量的准确、快速对实际的工业生产测量等过程十分有利。

对管道内流体进行温度测量是温度测量的一种极其常见的实用场景，最常见的对管道中流体温度测量的方式为侵入式温度测量方式。例如在管道中安装插入式热电偶、热电阻等测温元件，实现温度测量，这类管道内温度测量装置具有测量准确度高、响应快、测量误差小等优点，但介入式安装测温元件会引入流体流动阻力，流体也会对测温元件产生振动干扰，如振动控制不良，长期可能导致测温元件损坏。同时对于一些食品、制药等对卫生要求较高的工业生产场景或者流动介质温度压力较大的场景，介入式温度测量则可能破坏原有卫生条件，或者破坏管道密封边界。

现有非介入式温度测量，如贴片式热电偶或者热电阻，所得的温度与实际流体温度存在偏差较大，响应速度较慢。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种温度测量装置及测量方法。本发明的测量响应速度大大提高，测量的精度相对管道外贴片式热电偶也大幅提升，测量过程简单、可靠。另外，本发明采用非介入式测量方式，无需破坏固体管道，无干扰、无污染。

在本发明的第一个方面，本发明提出了一种温度测量装置。根据本发明的实施例，所述温度测量装置包括：

至少两个温度测量模块，至少两个所述温度测量模块沿所述温度测量装置的长度方向依次排列，每个所述温度测量模块均包括柔性热绝缘结构层、高热导率柔性支撑层、柔性电加热层和测量层，所述高热导率柔性支撑层设置在所述柔性热绝缘结构层的沿厚度方向的一侧，所述柔性电加热层和所述测量层均设置在所述高热导率柔性支撑层中，且均沿所述高热导率柔性支撑层的长度方向延伸，所述柔性电加热层设置在所述测量层和所述柔性热绝缘结构层之间；相邻的所述温度测量模块中的所述柔性热绝缘结构层之间直接相连接，相邻的所述温度测量模块中的所述高热导率柔性支撑层之间设有空隙，相邻的所述温度测量模块中的所述柔性电加热层之间通过第一供电线相连接，相邻的所述温度测量模块中的所述测量层之间通过第一信号线相连接；

监控仪器，所述监控仪器设置在所述温度测量装置沿长度方向的一端，所述监控仪器通过第二供电线和与所述监控仪器相邻的所述温度测量模块中的所述柔性电加热层相连接，且所述监控仪器通过第二信号线和与所述监控仪器相邻的所述温度测量模块中的所述测量层相连接。

根据本发明上述实施例的温度测量装置，通过面式传热，将三维传热过程降维为一维传热过程，一维度形式结构简单，主动加热方式，环境适应性好，整个测量过程简单、可靠。同时，本发明通过柔性电加热层、测量层和监控仪器相配合，基于傅里叶导热定律，根据动态过程数据反推计算出管道中流体温度，测量响应速度大大提高，测量的精度相对管道外贴片式热电偶也大幅提升。另外，本发明的温度测量装置采用非介入式测量方式，无需破坏固体管道，无干扰、无污染。

另外，根据本发明上述实施例的温度测量装置还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述柔性热绝缘结构层包括塑料编织层和热绝缘材料，所述热绝缘材料附着在所述塑料编织层上。

在本发明的一些实施例中，所述高热导率柔性支撑层的热导率为4000W/(m

在本发明的一些实施例中，所述柔性电加热层包括塑料基底层和具有加热回路的导电膜层，所述具有加热回路的导电膜层设置在所述塑料基底层上。

在本发明的一些实施例中，所述测量层包括塑料膜层、第一热电偶串和第二热电偶串，所述第一热电偶串和所述第二热电偶串分别设置在所述塑料膜层的沿厚度方向的两侧；和/或，所述测量层的远离所述柔性热绝缘结构层的一侧设有热电偶，用于测量所述测量层的远离所述柔性热绝缘结构层一侧的温度。

在本发明的一些实施例中，所述高热导率柔性支撑层的厚度不大于0.5mm；和/或，所述柔性电加热层的厚度不大于0.25mm；和/或，所述测量层的厚度不大于0.2mm。

在本发明的一些实施例中，还包括固定结构，所述固定结构设置在靠近所述监控仪器的所述温度测量模块的一侧；和/或，所述温度测量模块的个数为4-15个，优选8-12个。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用以上实施例所述的温度测量装置测量管道内流体的温度的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将温度测量装置沿管道的周向方向环绕在所述管道上，且所述高热导率柔性支撑层贴合所述管道的外壁，所述管道中具有流体；

(2)根据测量需要，测控仪器周期性地通过第二供电线和第一供电线为柔性电加热层供电，以便通过所述柔性电加热层为所述温度测量装置提供热流；

(3)通过所述测控仪器采集测量层沿厚度方向两侧的电压差以及所述测量层的靠近所述管道一侧的温度T

(4)根据所述测量层沿厚度方向两侧的电压差，计算当前所述测量层的热流密度q

(5)根据所述热流密度q

根据本发明上述实施例的进行测量管道内流体的温度的方法，通过面式传热，将三维传热过程降维为一维传热过程，主动加热方式，环境适应性好，整个测量过程简单、可靠。同时，本发明方法通过柔性电加热层、测量层和监控仪器相配合，基于傅里叶导热定律，通过测量一定热脉冲下，管道表面温度，根据动态过程数据反推计算出管道中流体温度，测量响应速度大大提高，测量的精度相对管道外贴片式热电偶也大幅提升。另外，本发明方法采用非介入式测量方式，无需破坏固体管道，无干扰、无污染。

另外，根据本发明上述实施例的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，步骤(4)包括：根据所述测量层沿厚度方向两侧的电压差，推算所述测量层沿厚度方向两侧的温度差⊿T

在本发明的一些实施例中，步骤(5)包括：设忽略高热导率柔性支撑层的传热热阻，则传热过程为热流从柔性电加热层出发，经过所述测量层，经过所述管道壁面，传导给所述管道内的流体，则经过所述测量层的热流密度q

则/>

和/或，在步骤(1)中，预先对所述管道表面进行清理，然后将所述温度测量装置沿所述管道的周向方向环绕在所述管道上，将所述温度测量装置的远离所述测控仪器的一端从固定结构中穿过，以便被固定。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的温度测量装置环绕在管道上的示意图；

图2是根据本发明实施例的温度测量装置的展开示意图；

图3是根据本发明实施例的计算测量层的热流密度的原理示意图。

附图标注：

1-柔性热绝缘结构层，2-高热导率柔性支撑层，3-柔性电加热层，4-测量层，4-1-塑料膜层，4-2-第一热电偶串，4-3-第二热电偶串，5-第一供电线，6-第一信号线，7-空隙，8-监控仪器，9-第二供电线，10-第二信号线，11-固定结构，12-管道，13-流体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种温度测量装置，参考附图1和2，温度测量装置包括：至少两个温度测量模块，至少两个温度测量模块沿温度测量装置的长度方向(即X方向)依次排列，每个温度测量模块均包括柔性热绝缘结构层1、高热导率柔性支撑层2、柔性电加热层3和测量层4，高热导率柔性支撑层2设置在柔性热绝缘结构层1的沿厚度方向的一侧，柔性电加热层3和测量层4均设置在高热导率柔性支撑层2中，且均沿高热导率柔性支撑层2的长度方向(即X方向)延伸，柔性电加热层3设置在测量层4和柔性热绝缘结构层1之间；相邻的温度测量模块中的柔性热绝缘结构层1之间直接相连接，相邻的温度测量模块中的高热导率柔性支撑层2之间设有空隙7，相邻的温度测量模块中的柔性电加热层3之间通过第一供电线5相连接，相邻的温度测量模块中的测量层4之间通过第一信号线6相连接；监控仪器8，监控仪器8设置在温度测量装置沿长度方向的一端，监控仪器8通过第二供电线9和与监控仪器8相邻的温度测量模块中的柔性电加热层3相连接，且监控仪器8通过第二信号线10和与监控仪器8相邻的温度测量模块中的测量层4相连接。由此，本发明的温度测量装置通过面式传热，将三维传热过程降维为一维传热过程，一维度形式结构简单，主动加热方式，环境适应性好，整个测量过程简单、可靠。同时，本发明通过柔性电加热层3、测量层4和监控仪器8相配合，基于傅里叶导热定律，根据动态过程数据反推计算出管道中流体温度，测量响应速度大大提高，测量的精度相对管道外贴片式热电偶也大幅提升。另外，本发明的温度测量装置采用非介入式测量方式，无需破坏固体管道，无干扰、无污染。

下面对本发明提出的温度测量装置能够实现上述有益效果的原理进行详细说明：

相关技术中的非介入式温度测量，如贴片式热电偶或者热电阻，所得的温度与实际流体温度存在偏差较大，响应速度较慢。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型的温度测量装置，参考附图1和2，该温度测量装置包括至少两个温度测量模块，至少两个温度测量模块沿温度测量装置的长度方向依次排列，每个温度测量模块均包括柔性热绝缘结构层1、高热导率柔性支撑层2、柔性电加热层3和测量层4。其中，柔性热绝缘结构层1可折弯，以贴紧待测管道的弯曲壁面，具有较高的强度和韧性，是温度测量装置的主要受力结构；且柔性热绝缘结构层1的热绝缘性能较好，能够避免柔性电加热层3产生的热量从柔性热绝缘结构层1一侧散失出去。高热导率柔性支撑层2为高热导率的柔性支撑层，其热阻很小，几乎可以忽略不计。高热导率柔性支撑层2中设置有柔性电加热层3和测量层4，测控仪器根据测量需要周期性地通过第二供电线9和第一供电线5为柔性电加热层3供电，以便通过柔性电加热层3为温度测量装置提供已知大小的热流。测量层4包括已知热阻的塑料膜层4-1、第一热电偶串4-2和第二热电偶串4-3，第一热电偶串4-2和第二热电偶串4-3分别设置在塑料膜层4-1的沿厚度方向的两侧，热电偶串可提供微电压，因此通过测控仪器可采集测量层4沿厚度方向两侧的电压差(其原理如附图3所示)以及测量层4的靠近管道一侧的温度T

需要说明的是，X方向为温度测量装置的长度方向，Y方向为温度测量装置的厚度方向。

根据本发明的一些具体实施例，柔性热绝缘结构层1包括塑料编织层和热绝缘材料，热绝缘材料附着在塑料编织层上。其中，塑料编织层是柔性热绝缘结构层1的主体结构，其材料并不受特别限定，只要其具有较高的强度和韧性，能够使柔性热绝缘结构层1成为温度测量装置的主要受力结构即可。另外，热绝缘材料也不受特别限定，例如可以为绝热气凝胶，其热导率极低，近似热绝缘，由此能够避免柔性电加热层3产生的热量从柔性热绝缘结构层1一侧散失出去。

在本发明的实施例中，高热导率柔性支撑层2为高热导率的柔性支撑层，其热阻很小，几乎可以忽略不计。根据本发明的再一些具体实施例，高热导率柔性支撑层2的热导率可以为4000W/(m

根据本发明的又一些具体实施例，柔性电加热层3包括塑料基底层和具有加热回路的导电膜层，具有加热回路的导电膜层设置在塑料基底层上，由此测控仪器根据测量需要周期性地通过第二供电线9和第一供电线5为柔性电加热层3供电，以便通过柔性电加热层3为温度测量装置提供已知大小的热流。作为一些具体示例，塑料基底层的材料可以为聚酰亚胺PI。

根据本发明的又一些具体实施例，测量层4包括塑料膜层4-1、第一热电偶串4-2和第二热电偶串4-3，第一热电偶串4-2和第二热电偶串4-3分别设置在塑料膜层4-1的沿厚度方向的两侧，热电偶串可提供微电压，因此通过测控仪器可采集测量层4沿厚度方向两侧的电压差，其原理如附图3所示。和/或，测量层4的远离柔性热绝缘结构层1的一侧设有热电偶，用于测量测量层4的远离柔性热绝缘结构层1一侧的温度(即测量层4的靠近管道一侧的温度T

由于柔性电加热层3和测量层4埋藏在高热导率柔性支撑层2中，因此，柔性电加热层3和测量层4的厚度均小于高热导率柔性支撑层2的厚度。根据本发明的一些具体实施例，高热导率柔性支撑层2的厚度不大于0.5mm；和/或，柔性电加热层3的厚度不大于0.25mm；和/或，测量层4的厚度不大于0.2mm。

在本发明的实施例中，参考附图1和2，温度测量装置还包括固定结构11(例如腰带头、书包带卡扣等)，固定结构11设置在靠近监控仪器8的温度测量模块的一侧，柔性热绝缘结构层1一端固定在卡扣上，另外一端可以插入卡扣内，卡扣与柔性热绝缘层等具备自锁性能，卡扣侧边具有一种释放机构，人为触发释放机构可以将温度测量装置从卡扣结构中释放出来。

在本发明的实施例中，温度测量装置包括多个温度测量模块，多个温度测量模块沿温度测量装置的长度方向依次排列，相邻的温度测量模块中的高热导率柔性支撑层2之间设有空隙7，由此方便温度测量装置在测量管道内流体的温度时能够紧密地贴合在管道壁面上。温度测量模块的个数并不受特别限定，作为一些具体示例，温度测量模块的个数可以为4-15个，优选8-12个。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用以上实施例上述的温度测量装置测量管道内流体的温度的方法。根据本发明的实施例，上述方法包括：

S100：将温度测量装置沿管道的周向方向环绕在管道上

在该步骤中，将温度测量装置沿管道12的周向方向环绕在管道12上，且高热导率柔性支撑层2贴合管道的外壁，管道中具有流体13。

根据本发明的一些具体实施例，可预先对管道表面进行清理，然后将温度测量装置沿管道的周向方向环绕在管道12上，将温度测量装置的远离测控仪器的一端从固定结构中穿过，以便被固定。

S200：通过柔性电加热层为温度测量装置提供热流

在该步骤中，根据测量需要，测控仪器周期性地通过第二供电线9和第一供电线5为柔性电加热层3供电，以便通过柔性电加热层3为温度测量装置提供热流。

S300：采集测量层沿厚度方向两侧的电压差以及测量层的靠近管道一侧的温度

在该步骤中，参考附图3，由于测量层4的热电偶串可提供微电压，因此通过测控仪器可采集测量层4沿厚度方向两侧的电压差。由于测量层4的远离柔性热绝缘结构层1的一侧设有热电偶，因此通过测控仪器可采集测量层4的靠近管道一侧的温度T

S400：根据测量层沿厚度方向两侧的电压差，计算当前测量层的热流密度

在该步骤中，根据测量层4沿厚度方向两侧的电压差，计算当前测量层4的热流密度q

根据测量层4沿厚度方向两侧的电压差，推算测量层4沿厚度方向两侧的温度差⊿T

测量原理：根据热传导定律可知：穿过一个无限大平板的热流密度＝平板材料导热系数×平板两侧温度差÷平板厚度＝平板两侧温度差÷平板热阻。

S500：根据热流密度q

具体地，设忽略高热导率柔性支撑层2的传热热阻，传热过程可简化为，热流从柔性电加热层3出发，经过测量层4，经过管道壁面，传导给管道内的流体，则经过测量层4的热流密度q

则/>

根据本发明上述实施例的进行测量管道内流体的温度的方法，通过面式传热，将三维传热过程降维为一维传热过程，主动加热方式，环境适应性好，整个测量过程简单、可靠。同时，本发明方法通过柔性电加热层3、测量层4和监控仪器8相配合，基于傅里叶导热定律，通过测量一定热脉冲下，管道表面温度，根据动态过程数据反推计算出管道中流体温度，测量响应速度大大提高，测量的精度相对管道外贴片式热电偶也大幅提升。另外，本发明方法采用非介入式测量方式，无需破坏固体管道，无干扰、无污染。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。