一种非接触式在线温度测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种非接触式在线温度测量方法及系统。该方法步骤如下：将依据传热原理建立的导热微分方程的温度解算模块设置在数据处理单元中；将数据处理单元分别与温度采集装置和上位机进行连接；待连接完成后，数据处理单元接收温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据；数据处理单元中的温度解算模块根据采样的被测对象周围的环境温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程；上位机通过接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程，对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控。本发明通过采集被测对象周围的环境温度数据，利用基于导热微分方程的温度解算模块实时解算被测对象的温度，适用于不便直接测量其内部温度的被测对象的温度检测。

权利要求

1.一种非接触式在线温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在数据处理单元中设置温度解算模块，该温度解算模块包括依据传热原理建立的导热微分方程；

步骤2，将数据处理单元分别与温度采集装置和上位机进行连接；

步骤3，待连接完成后，数据处理单元接收温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据；

步骤4，数据处理单元中的温度解算模块根据采样的被测对象周围的环境温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程；

步骤5，上位机通过接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程，对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控；

步骤1所述导热微分方程，离散化后得到差分方程如下：aPTP＝aETE+aWTW+aNTN+aSTS+aFTF+aBTB+b其中，

aE＝DeA(|Pe|)+max(-Fe,0)，aW＝DwA(|Pw|)+max(Fw,0)aN＝DnA(|Pn|)+max(-Fn,0)，aS＝DsA(|Ps|)+max(Fs,0)aF＝DfA(|Pf|)+max(-Ff,0)，aB＝DbA(|Pb|)+max(Fb,0)式中，TP、TE、TW、TN、TS、TF、TB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的温度，aP、aE、aW、aN、aS、aF、aB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的热导，De、Dw、Dn、Ds、Df、Db代表单元E、W、N、S、F、B界面处的扩导，Fe、Fw、Fn、Fs、Ff、Fb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的热流，Pe、Pw、Pn、Ps、Pf、Pb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的Peclet数，A(|P|)＝max(0,(1-0.1|P|)5)， 分别代表上一时层单元P处的热导和温度，SC、SP在线性热源函数中分别为常数和温度导数，ρ、c、ΔV分别代表单元P的密度、热容、体积，Δt代表时间步长。

2.根据权利要求1所述的非接触式在线温度测量方法，其特征在于，步骤2所述将数据处理单元分别与温度采集装置和上位机进行连接，其中上位机触发温度采集装置的状态自检指令，检测温度采集装置的工作状态。

3.一种非接触式在线温度测量系统，其特征在于，包括：温度采集装置，用于采集被测对象周围的环境温度数据；

数据处理单元，内设温度解算模块，根据温度采集装置采集到的温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程；

上位机，用于接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程，对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控；

所述数据处理单元内设的温度解算模块，包括依据传热原理建立的导热微分方程，采用微分方程离散化后得到差分方程如下：

aPTP＝aETE+aWTW+aNTN+aSTS+aFTF+aBTB+b其中，

aE＝DeA(|Pe|)+max(-Fe,0)，aW＝DwA(|Pw|)+max(Fw,0)aN＝DnA(|Pn|)+max(-Fn,0)，aS＝DsA(|Ps|)+max(Fs,0)aF＝DfA(|Pf|)+max(-Ff,0)，aB＝DbA(|Pb|)+max(Fb,0)式中，TP、TE、TW、TN、TS、TF、TB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的温度，aP、aE、aW、aN、aS、aF、aB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的热导，De、Dw、Dn、Ds、Df、Db代表单元E、W、N、S、F、B界面处的扩导，Fe、Fw、Fn、Fs、Ff、Fb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的热流，Pe、Pw、Pn、Ps、Pf、Pb代表单元5

E、W、N、S、F、B界面处的Peclet数，A(|P|)＝max(0,(1-0.1|P|))， 分别代表上一时层单元P处的热导和温度，SC、SP在线性热源函数中分别为常数和温度导数，ρ、c、ΔV分别代表单元P的密度、热容、体积，Δt代表时间步长。

说明书

一种非接触式在线温度测量方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及测量控制技术领域，特别是一种非接触式在线温度测量方法及系统。

背景技术

[0002] 在机械工业、化学工业、国防工业等领域的生产及管理过程中，经常需要对加工生产的产品或储存管理的物品的内部温度场进行实时监控，以排除安全隐患，促进安全生产及安全管理，减少不必要的人身及经济损失。比如，监控酸、碱、盐、油料及化学危险品存储罐(塔、筒)内的实时温度以消除危险(点)源；监控仓库中谷物的温度使其不至发芽变质；监控推进剂等固体燃料的内部温度变化使其不至发生自燃等。这类测温问题的一个共同特点
是被测对象的内部温度无法直接测量获得。

[0003] 传统的方法有热电偶测温、红外测温、光谱测温等，这些方法有的需要开孔测量，有的仅能测量表面温度，都要直接接触被测对象，而且人工记录数据既费时又可能遗漏重要数据，也无法实现全天候自动检测。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种非接触式在线温度测量方法及系统，通过采集被测对象周围的环境温度数据，实现不便直接测量内部温度的被测对象的温度检测。

[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种非接触式在线温度测量方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤1，在数据处理单元中设置温度解算模块，该温度解算模块包括依据传热原理建立的导热微分方程；

[0007] 步骤2，将数据处理单元分别与温度采集装置和上位机进行连接；

[0008] 步骤3，待连接完成后，数据处理单元接收温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据；

[0009] 步骤4，数据处理单元中的温度解算模块根据采样的被测对象周围的环境温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程；

[0010] 步骤5，上位机通过接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程，对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控。

[0011] 进一步地，步骤1所述导热微分方程，离散化后得到差分方程如下：

[0012] aPTP＝aETE+aWTW+aNTN+aSTS+aFTF+aBTB+b

[0013] 其中，

[0014]

[0015] aE＝DeA(|Pe|)+max(-Fe,0)，aW＝DwA(|Pw|)+max(Fw,0)

[0016] aN＝DnA(|Pn|)+max(-Fn,0)，aS＝DsA(|Ps|)+max(Fs,0)

[0017] aF＝DfA(|Pf|)+max(-Ff,0)，aB＝DbA(|Pb｜)+max(Fb,0)

[0018]

[0019]

[0020] 式中，TP、TE、TW、TN、TS、TF、TB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的温度，aP、aE、aW、aN、aS、aF、aB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的热导，De、Dw、Dn、Ds、Df、Db代表单元E、W、N、S、F、B界面处的扩导，Fe、Fw、Fn、Fs、Ff、Fb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的热流，Pe、Pw、Pn、Ps、Pf、Pb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的Peclet数，A(|P|)＝max(0,(1-0.1|P|)5)， 分别代表上一时层单元P处的热导和温度，SC、SP在线性热源函数中分别为常数和温度导数，ρ、c、ΔV分别代表单元P的密度、热容、体积，Δt代表时间步长。

[0021] 进一步地，步骤2所述将数据处理单元分别与温度采集装置和上位机进行连接，其中上位机触发温度采集装置的状态自检指令，检测温度采集装置的工作状态。

[0022] 一种非接触式在线温度测量系统，包括：

[0023] 温度采集装置，用于采集被测对象周围的环境温度数据；

[0024] 数据处理单元，内设温度解算模块，根据温度采集装置采集到的温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程；

[0025] 上位机，用于接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程，对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控。

[0026] 进一步地，所述数据处理单元内设的温度解算模块，包括依据传热原理建立的导热微分方程，采用微分方程离散化后得到差分方程如下：

[0027] aPTP＝aETE+aWTW+aNTN+aSTS+aFTF+aBTB+b

[0028] 其中，

[0029]

[0030] aE＝DeA(|Pe|)+max(-Fe,0)，aW＝DwA(|Pw|)+max(Fw,0)

[0031] aN＝DnA(|Pn|)+max(-Fn,0)，aS＝DsA(|Ps|)+max(Fs,0)

[0032] aF＝DfA(|Pf|)+max(-Ff,0)，aB＝DbA(|Pb|)+max(Fb,0)

[0033]

[0034]

[0035] 式中，TP、TE、TW、TN、TS、TF、TB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的温度，aP、aE、aW、aN、aS、aF、aB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的热导，De、Dw、Dn、Ds、Df、Db代表单元E、W、N、S、F、B界面处的扩导，Fe、Fw、Fn、Fs、Ff、Fb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的热流，Pe、Pw、Pn、Ps、Pf、Pb代表5
单元E、W、N、S、F、B界面处的Peclet数，A(|P|)＝max(0,(1-0.1|P|))， 分别代表上一
时层单元P处的热导和温度，SC、SP在线性热源函数中分别为常数和温度导数，ρ、c、ΔV分别代表单元P的密度、热容、体积，Δt代表时间步长。

[0036] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)解决了一类不便直接测量被测对象内部温度的测温问题，比如监控化学危险品存储罐内易燃易爆物的温度；(2)依据传热学理论，通过求解传热微分方程获得温度随环境温度的变化过程，再利用数据处理及计算机通
信技术实现温度数据的存储与监控；(3)实现了非接触测量，计算机实时记录数据，高效可靠地进行全天候自动检测。

附图说明

[0037] 图1是根据本发明非接触式在线温度测量方法的流程图。

[0038] 图2是根据本发明非接触式在线温度测量系统的结构图。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图对本发明作出进一步详细说明。

[0040] 结合图1，本发明非接触式在线温度测量方法，包括以下步骤：

[0041] 步骤1，在数据处理单元中设置温度解算模块，该温度解算模块包括依据传热原理建立的导热微分方程；所述温度解算模块根据采集的被测对象周围的环境温度实时解算被
测对象的温度随时间的变化历程，所采用的公式为由微分方程离散化后得到的差分方程，
差分方程如下：

[0042] aPTP＝aETE+aWTW+aNTN+aSTS+aFTF+aBTB+b

[0043] 其中，

[0044]

[0045] aE＝DeA(|Pe|)+max(-Fe,0)，aW＝DwA(|Pw|)+max(Fw,0)

[0046] aN＝DnA(|Pn｜)+max(-Fn,0)，aS＝DsA(|Ps|)+max(Fs,0)

[0047] aF＝DfA(|Pf|)+max(-Ff,0)，aB＝DbA(|Pb|)+max(Fb,0)

[0048]

[0049]

[0050] 式中，TP、TE、TW、TN、TS、TF、TB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的温度，aP、aE、aW、aN、aS、aF、aB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的热导，De、Dw、Dn、Ds、Df、Db代表单元E、W、N、S、F、B界面处的扩导，Fe、Fw、Fn、Fs、Ff、Fb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的热流，Pe、Pw、Pn、Ps、Pf、Pb代表5
单元E、W、N、S、F、B界面处的Peclet数，A(|P|)＝max(0,(1-0.1|P|))， 分别代表上一
时层单元P处的热导和温度，SC、SP在线性热源函数中分别为常数和温度导数，ρ、c、ΔV分别代表单元P的密度、热容、体积，Δt代表时间步长。

[0051] 步骤2，将数据处理单元分别与温度采集装置和上位机进行连接；其中上位机触发温度采集装置的状态自检指令，检测温度采集装置的工作状态。

[0052] 步骤3，待连接完成后，数据处理单元接收温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据。

[0053] 步骤4，数据处理单元中的温度解算模块根据采样的被测对象周围的环境温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程。

[0054] 步骤5，上位机通过接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程，对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控。

[0055] 结合图2，本发明非接触式在线温度测量系统，包括：

[0056] 温度采集装置，用于采集被测对象周围的环境温度数据；

[0057] 数据处理单元，内设温度解算模块，根据温度采集装置采集到的温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程；

[0058] 上位机，用于接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程，对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控。

[0059] 所述数据处理单元内设的温度解算模块，包括依据传热原理建立的导热微分方程，采用微分方程离散化后得到差分方程如下：

[0060] aPTP＝aETE+aWTW+aNTN+aSTS+aFTF+aBTB+b

[0061] 其中，

[0062]

[0063] aE＝DeA(|Pe |)+max(-Fe,0)，aW＝DwA(|Pw|)+max(Fw,0)

[0064] aN＝DnA(|Pn|)+max(-Fn,0)，aS＝DsA(|Ps|)+max(Fs,0)

[0065] aF＝DfA(|Pf|)+max(-Ff,0)，aB＝DbA(|Pb｜)+max(Fb,0)

[0066]

[0067]

[0068] 式中，TP、TE、TW、TN、TS、TF、TB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的温度，aP、aE、aW、aN、aS、aF、aB分别代表单元P、E、W、N、S、F、B处的热导，De、Dw、Dn、Ds、Df、Db代表单元E、W、N、S、F、B界面处的扩导，Fe、Fw、Fn、Fs、Ff、Fb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的热流，Pe、Pw、Pn、Ps、Pf、Pb代表单元E、W、N、S、F、B界面处的Peclet数，A(|P|)＝max(0,(1-0.1|P|)5)， 分别代表上一时层单元P处的热导和温度，SC、SP在线性热源函数中分别为常数和温度导数，ρ、c、ΔV分别代表单元P的密度、热容、体积，Δt代表时间步长。

[0069] 本发明非接触式在线温度测量方法，通过采集被测对象周围的环境温度数据，利用基于导热微分方程开发的温度解算模块实时解算被测对象的温度，可普遍适用于一类不
便直接测量其内部温度的被测对象的温度检测。

[0070] 在一些示例中，在所述数据处理单元接收所述温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据之后，还包括：根据所述温度数据通过所述温度解算模块实时解算被测
对象的温度随时间的变化历程。

[0071] 在一些示例中，还包括：所述上位机触发所述温度采集装置状态自检指令。状态自检指令用于检测温度采集装置的工作状态，以确保温度采集装置工作正常，采集到正确的环境温度数据。

[0072] 在一些示例中，还包括：当所述上位机判断所述温度采集装置处于连接故障时，进行故障报警提示。当串行接口或CAN总线接口受到外界电磁信号干扰，或连接线缆断开时，在这些情况下会出现系统与上位机无法通信。因此，如果上位机在发出指令后没有收到系统应答，上位机即可判断此时出现了故障。

[0073] 本发明非接触式在线温度测量系统，通过采集被测对象周围的环境温度数据，利用基于导热微分方程开发的温度解算模块实时解算被测对象的温度，可普遍适用于一类不
便直接测量其内部温度的被测对象的温度检测。

[0074] 在一些示例中，所述数据处理单元接收所述温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据。

[0075] 在一些示例中，所述数据处理单元还用于：根据接收的所述温度采集装置采集到的所述温度数据通过所述温度解算模块实时解算被测对象的温度随时间的变化历程。

[0076] 在一些示例中，所述上位机还用于：触发所述温度采集装置状态自检指令。

[0077] 在一些示例中，所述上位机还用于：判断所述温度采集装置是否处于连接故障，如果是，则进行故障报警提示。

[0078] 实施例1

[0079] 图1是根据本发明非接触式在线温度测量方法的流程图。结合图1具体描述本发明实施例的一种非接触式在线温度测量方法的实现过程：

[0080] 步骤Step1：将依据传热原理建立的导热微分方程开发的温度解算模块安装在数据处理单元中。

[0081] 具体地，将温度解算模块安装在电子盘上，然后将电子盘插入数据处理单元中的插槽内。

[0082] 步骤Step2：将数据处理单元分别与温度采集装置和上位机进行连接。

[0083] 具体地，将温度采集装置的线缆插头插入数据处理单元的接口，然后将数据处理单元的USB接口插入上位机。本发明的一个实施例中，温度采集装置为AD590型温度传感器。
数据处理单元具有4路温度数据接收通道。

[0084] 步骤Step3：待连接完成后，数据处理单元接收温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据。

[0085] 具体地，待连接成功后，温度采集装置采集被测对象周围的环境温度数据，然后数据处理单元接收这些温度数据。

[0086] 步骤Step4：安装在数据处理单元中的温度解算模块根据采样的被测对象周围的环境温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程。

[0087] 具体地，数据处理单元中的温度解算模块读取由温度采集装置采集到的被测对象周围的环境温度数据作为温度解算的初值和边值条件，运行基于导热微分方程编写的温度
解算代码，实时求解被测对象的温度，获得被测对象的温度随时间的变化历程。

[0088] 步骤Step5：上位机通过接收从数据处理单元传送的温度随时间的变化历程对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控。

[0089] 具体地，上位机接收被测对象的温度解算结果后以电子表格或文本的形式存储和显示，便于对被测对象进行进一步的性能分析与监控。另外，上位机还可以触发自检指令要求温度采集装置进行状态自检。当上位机判断温度采集装置处于连接故障时，则进行故障
报警提示。

[0090] 根据本发明非接触式在线温度测量方法，通过采集被测对象周围的环境温度数据，利用基于导热微分方程开发的温度解算模块实时解算被测对象的温度，可普遍适用于
一类不便直接测量其内部温度的被测对象的温度检测。

[0091] 本发明非接触式在线温度测量系统，如图2所示，包括：温度采集装置1、数据处理单元2和上位机3。其中，温度采集装置1，用于采集被测对象周围的环境温度数据；数据处理单元2，用于安装开发的温度解算模块以及根据温度采集装置1采集到的温度数据实时解算被测对象的温度随时间的变化历程；上位机3，用于接收从数据处理单元2传送的温度随时
间的变化历程对被测对象的温度进行存储、显示、分析与监控。

[0092] 具体地，在本实施例中，温度采集装置1为AD590型温度传感器，数据处理单元2具有4路温度数据接收通道。

[0093] 在实际的应用中，将温度解算模块安装在电子盘上，将电子盘插入数据处理单元2中的插槽内，将温度采集装置1的线缆插头插入数据处理单元2的接口，然后将数据处理单
元2的USB接口插入上位机3，以完成系统运行前的准备工作。

[0094] 待连接完成后，温度采集装置1采集被测对象周围的环境温度数据，然后数据处理单元2接收这些温度数据。

[0095] 数据处理单元2中的温度解算模块读取由温度采集装置1采集到的被测对象周围的环境温度数据作为温度解算的初值和边值条件，运行基于导热微分方程编写的温度解算
代码，实时求解被测对象的温度，获得被测对象的温度随时间的变化历程。

[0096] 上位机3接收被测对象的温度解算结果后以电子表格或文本的形式存储和显示，便于对被测对象进行进一步的性能分析与监控。另外，上位机3还可以触发自检指令要求温度采集装置1进行状态自检。当上位机3判断温度采集装置1处于连接故障时，则进行故障报警提示。

[0097] 根据本实施例的非接触式在线温度测量系统，通过采集被测对象周围的环境温度数据，利用基于导热微分方程开发的温度解算模块实时解算被测对象的温度，可普遍适用
于一类不便直接测量其内部温度的被测对象的温度检测。

[0098] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。