一种基于远程温度计的温度场复现装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种基于远程温度计的温度场复现装置及方法。

背景技术

工业生产中，温度是常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度的控制至关重要。现代科学的发展，温度的测量方法越来越多，常见的温度测量包括膨胀式测温、电量式测温、接触式光电等接触式测温方法，以及辐射式测温、光谱法测温、激光干涉测温、声波测温等非接触式测温。接触式测温在实际测量时需要充分与被测物品或介质充分接触，而在很多场合，无法使用接触式测温方法度被测物进行直接测量，而非接触式测温方法很容易受到外界环境的影响。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了一种基于远程温度计的温度场复现方法，在不影响工业生产的前提下，在被测物附近安装远程温度计，从而获取关键节点的温度数据并将数据发送至上位系统，在上位系统中通过有限元数值模拟技术，还原被测物的温度场情况。本发明提出的以实时温度测量技术与有限元数值模拟技术相结合的温度场还原方法适用于需要对温度进行精确控制却又无法直接测量温度的场合，能够较好的对温度场的还原。

本发明采用如下的技术方案：

一种基于远程温度计的温度场复现方法，所述的温度场复现方法步骤如下：

步骤1：根据被测物以及现场环境在被测物周围安装远程温度计；

步骤2：根据需要仿真的空间数据定义单元以及材料类型，并建立几何模型，进行网格的划分，以远程温度计体积为最小有限元，对空间进行有限元分割，形成有限单元网格，

其中，空间数据为包含被测物三维空间的三维坐标值；

步骤3：上位机系统发送温度采集命令给步骤1中安装的各节点远程温度计，各节点远程温度计收到上位机系统命令后开始进行温度采集，获取当前时刻温度数据，并将温度数据发送给上位机；

步骤4：根据步骤3获取的温度数据，在ANSYS有限元分析模块中设置有限元边界条件及约束条件；

步骤5：根据步骤4所得的有限元边界条件及约束条件进行有限元求解计算，并进行后处理操作，获得被测物体及其周围的温度场情况，

其中，ANSYS为有限元分析软件。

所述步骤1中，将远程温度计安装在被测物体周围，构成三维的空间阵列，安装数量可根据实际物体体积大小相应增加，其数量大于等于5个，每一个远程温度计作为一个温度节点，温度计间的距离不应超过被测物的尺寸。

在被测物周围等间距安装远程温度计，所述远程温度计数目为5。

一种基于远程温度计的温度场复现装置，所述温度场复现装置包括远程温度计、无线通信模块、PC端控制单元和上位机系统，

所述远程温度计包括温度采集单元、远程温度计控制单元和无线数据发送单元，

其中，温度采集单元采集数据，通过远程温度计控制单元将数据传输至无线数据发送单元，

所述无线通信模块包括无线数据发送单元和无线数据接收单元，无线数据发送单元用无线信号将数据发送至无线数据接收单元，

无线数据接收单元接收数据后，通过PC端控制单元，最终发送至上位机系统。

所述远程温度计中的温度采集单元包括温度传感器，采用HDC1080，相对湿度精度为±2％，温度精度为±0.2℃，温度传感器具有14位测量分辨率。

所述温度传感器配置LORA单元，用于温度数据的发送，

其中，LORA为局域网无线标准。

所述PC端控制单元采用单片机，用于对数据的处理。

所述上位机系统配置LORA单元，用于接收远程温度计发送的数据，

其中，LORA为局域网无线标准。

所述上位机系统包括ANSYS有限元分析模块，ANSYS有限元分析模块基于ANSYS的热力学仿真方法，采用瞬态温度场有限单元法，将被测物分解成的点组成几何模型。

所述远程温度计中远程温度计控制单元通过IIC通信方式和温度采集单元的温度传感器进行通信，远程温度计控制单元通过SPI通信方式和无线通信模块通信，无线通信模块的无线接收单元接收到由主机发送过来的温度采集命令后，PC端控制单元读取温度传感器当前的温度，并打包发送给上位机系统，从而实现单次的温度采样，

其中，IIC为集成电路总线，SPI为串行外设接口。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)该方法可以用于需要温度精确控制却又无法测量的场合，以便温度场的还原，为温度的控制提供理论依据；

(2)该方法克服了单独温度建模方法无法精确模拟实际温度的情况；

(3)该方法通过运用实时温度测量和ANSYS有限元软件相结合的方法，实现了实时的温度场复原方法。

本发明提供的一种基于远程温度计的温度场复现方法，可以实现对需要温度精确控制却又无法测量的场合，克服了温度建模方法无法精确模拟实际温度的情况，以及解决了无法直接温度测量的温度控制的问题。

附图说明

图1为本发明的一种基于远程温度计的温度场复现方法的流程图；

图2为本发明的远程温度计的原理图；

图3为本发明的温度传感器信号处理单元的系统框图；

图4为本发明的远程温度计的安装示意图，1为空调进风口，2为墙体，3为被测物体，4为远程温度计。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明的一种基于远程温度计的温度场复现方法的流程图。

温度场复现方法步骤如下：

步骤1，根据被测物以及现场环境安装各节点远程温度计，可在被测物东南西北以及正上方安装远程温度计，其中，温度计安装位置不固定，但应尽量使远程温度计安装在被测物体周围，构成三维的空间阵列，安装数量可根据实际物体体积大小适当增加，最少不低于5个,每一个远程温度计作为一个温度节点；

步骤2，根据需要仿真的空间数据定义单元以及材料类型，并建立几何模型，进行网格的划分，以远程温度计体积为最小有限元，对空间进行有限元分割，形成有限单元网格；在此步骤中，需要对现场环境及被测物的尺寸进行测量，根据现场环境建立三维结构图，并分别确认被测物体以及远程温度计在三维坐标系中的相对位置，以便能够准确的对空间进行有线元分割；

步骤3，上位机系统发送温度采集命令给各节点远程温度计，各节点远程温度计收到上位机系统命令后开始进行温度采集，获取当前时间温度数据，并将温度数据发送给上位机；

步骤4，根据步骤3获取的温度数据，在ANSYS中设置有限元边界条件及约束条件；

步骤5，进行有限元求解计算，并进行后处理操作，获得被测物体及其周围的温度场情况。

优选实施例中，在被测物周围等间距安装远程温度计，远程温度计数目为5。

远程温度计装置的原理图如图2所示，温湿度传感器采用HDC1080，相对湿度精度为±2％，温度精度为±0.2℃，具有14位测量分辨率的低功耗温湿度传感器，其休眠温度可达到100nA；无线数据传输装置采用SX1278 LORA单元，数量为温度采集装置数量加1，其中，每一个温度传感器装置配置一个LORA单元，用于温度数据的发送，上位机系统需一个LORA单元用于接收所有远程温度计的数据；根据现场空间体积及被测物体积，远程温度计可选5个及以上；控制单元采用STM8L系列低功耗单片机，完成对数据的处理。

如图3所示，一种基于远程温度计的温度场复现装置，包括温度采集单元、远程无线通信单元、控制单元、上位机系统等硬件装置以及上位机系统中的ANSYS有限元分析方法。

无线通信单元分为远程温度计的温度计控制单元和上位机系统端的数据接收控制单元；无线通信单元包括无线数据发送单元和无线数据接收单元；无线通信单元的无线发送部分、远程温度计控制单元、温度采集单元相连接，一起构成了远程温度计装置；无线通信单元的无线接收部分与数据接收控制单元相连接，数据经数据接收控制单元的处理之后发送给上位机。

图4为本发明的远程温度计的安装示意图，1为空调进风口，2为墙体，3为被测物体，4为远程温度计。

控制单元STM8L通过IIC通信方式和温度传感器HDC1080进行通信，控制单元STM8L通过SPI通信方式和SX1278 LORA单元通信，远程温度计端的无线接收模块接收到由主机发送过来的温度采集命令后，控制单元STM8L读取HDC1080当前的温度，并打包发送给上位机系统，从而实现单次的温度采样，当然，也可以通过温度连续采样，获取多次温度的值取中位数或平均数作为单次采样数据，从而减小采样误差。

温度场还原方法为基于ANSYS的热力学仿真方法，主要是采用瞬态温度场有限单元法，有限元分析方法是将一个物体或者系统分解成多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型，由于这些独立的点数量是有限的，所以称为有限元。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。