一种材料的远程测温方法与流程

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种材料的远程测温方法。

背景技术：

在材料加工领域，温度测量是一项极其重要的工作，但是受工作环境等条件限制，有些地方无法直接进行温度测量。比如挤压过程中型材挤出模具瞬间，由于受挤压机前梁的影响无法直接测量，但是型材挤出模具瞬间的温度又极其重要，它直接影响产品的微观组织、表面质量、形位尺寸、力学性能等，温度过高会导致表面开裂、粗晶组织甚至过烧等，温度过低则会导致力学性能不合格、挤压力不足或模具损坏等，温度波动过大则会导致头尾组织、力学性能、形位尺寸等性能不均匀。

目前只能测量型材在前梁出口处的温度来大致判断型材在模具出口处的温度，但由于不同挤压型材截面千变万化、挤压温度及挤压速度差别也很大，型材在模具出口处的温度尚无法准确测量，亟需开发一种远程测温方法进行温度的远程测量。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种材料的远程测温方法，本发明利用能量守恒定律、热量计算公式及牛顿冷却定律，通过测量材料某处的温度变化，计算出材料的表面传热系数h，从而反推得出材料在另一处的温度。

为达到上述目的，本方案通过以下技术方案实现：

一种材料的远程测温方法，包括如下步骤：

(1)测量材料在某一位置的温度，根据温度变化值得到材料放出的热量及材料经过对流传热散出的热量；

(2)设定材料放出的热量与材料经过对流传热散出的热量相等，得到材料的表面传热系数；

(3)根据表面传热系数及步骤(2)的方法反推计算得到材料在另一位置的温度。

进一步的，所述材料的远程测温方法具体包括如下步骤：

s1、测量材料在a处的温度，在时间t内的温度变化为δt；

s2、根据热量计算公式设定：材料放出的热量q1＝cmδt，其中c为材料的比热容，m为材料的质量；

s3、根据牛顿冷却定律设定：单位时间内材料经过对流传热散出的热量q＝hs(ta–t介)，其中h为材料的表面传热系数，s为材料的表面积，ta为材料在a处的原始温度，t介为周围环境介质的温度；时间t内经过对流传热散出的热量q2＝qt＝hs(ta–t介)t；

s4、根据能量守恒定律设定：材料放出的热量q1等于周围环境介质与材料表面之间对流传热的热量q2，即q1＝q2，即cmδt＝hs(ta–t介)t，计算得到材料的表面传热系数h＝cmδt/[s(ta–t介)t]；

s5、计算材料在b处的温度tb：材料从b处移动到a处所用时间t1内，材料经过对流传热散出的热量q传＝qt1＝hs(t材–t介)t1，材料在t1时间内温度变化为δt1＝tb-ta，放出的热量为q放＝cmδt1，根据能量守恒定律q传＝q放，得到tb＝[hs(t材–t介)t1+cmta]/cm。

进一步的，步骤s5中，材料从b处移动到a处所用时间t1内，t材取tb和ta的平均值，即t材＝(tb+ta)/2，则tb＝2[hst介t1-ta(hst1/2+cm)]/(hst1-2cm)。

进一步的，步骤s5中，所述t1＝l/v，其中l为b处到a处的距离，v为材料从b处运动到a处的运动速度。

进一步的，所述测量材料温度所用的测量装置包括测温探头、补尝导线和多功能数显仪表，所述测温探头通过补尝导线与多功能数显仪表进行连接。

进一步的，所述多功能数显仪表具有数据输入、计算、存储、显示、输出功能。

进一步的，在进行材料的温度测量前，先在多功能数显仪表中预设h＝cmδt/[s(ta–t介)t]及tb＝2[hst介t1-ta(hst1/2+cm)]/(hst1-2cm)的计算公式，然后将材料的比热容c、材料的质量m、材料参与传热的表面积s、周围环境介质温度t介、材料从b处移动到a处所用时间t1录入多功能数显仪表中，再使用测温探头测量材料在a处的温度ta、材料在a处温度下降δt所用时间t，即可在多功能数显仪表中显示和输出材料在b处的温度tb。

进一步的，所述材料为铝合金材料。

有益效果：

本发明通过热量计算公式计算出材料放出的热量q1，通过牛顿冷却定律计算出时间t内材料经过对流传热散出的热量q2，并根据能量守恒定律：材料放出的热量q1与材料经过对流传热散出的热量q2相等，计算出材料的表面传热系数h，从而可以根据材料在某一位置或某一时刻的温度变化，计算出材料在另一位置或另一时刻的温度，达到远程测温的目的，解决了材料加工过程中，由于现有条件限制导致某一位置或某一时刻无法测温的问题。同时，将计算公式集成在多功能数显仪中，能实现快速、便捷、安全地远程测温的目的。

附图说明

图1为本发明实施例中的温度测量示意图；

图中的标记：1-铸锭；2-挤压筒；3-挤压模具；4-前梁；5-挤压排材；6-前梁出口处；7-模具出口处；8-测温探头；9-补偿导线；10-多功能数显仪表。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种材料的远程测温方法，包括如下步骤：

s1、测量材料在a处的温度，在时间t内的温度变化为δt；

s2、根据热量计算公式设定：材料放出的热量q1＝cmδt，其中c为材料的比热容，m为材料的质量；

s3、根据牛顿冷却定律设定：单位时间内材料经过对流传热散出的热量q＝hs(ta–t介)，其中h为材料的表面传热系数，s为材料的表面积，ta为材料在a处的原始温度，t介为周围环境介质的温度；时间t内经过对流传热散出的热量q2＝qt＝hs(ta–t介)t；

s4、根据能量守恒定律设定：材料放出的热量q1等于周围环境介质与材料表面之间对流传热的热量q2，即q1＝q2，即cmδt＝hs(ta–t介)t，计算得到材料的表面传热系数h＝cmδt/[s(ta–t介)t]；

s5、计算材料在b处的温度tb：材料从b处移动到a处所用时间t1内，材料经过对流传热散出的热量q传＝qt1＝hs(t材–t介)t1，材料在t1时间内温度变化为δt1＝tb-ta(在实际操作过程中，若tb小于ta，则δt1＝ta-tb)，放出的热量为q放＝cmδt1，根据能量守恒定律q传＝q放，得到tb＝[hs(t材–t介)t1+cmta]/cm；

其中的t1＝l/v，l为b处到a处的距离，v为材料从b处运动到a处的运动速度；

其中的t材取tb和ta的平均值，即t材＝(tb+ta)/2，则tb＝2[hst介t1-ta(hst1/2+cm)]/(hst1-2cm)。

所述测量材料温度所用的测量装置包括测温探头、补尝导线和多功能数显仪表，所述测温探头通过补尝导线与多功能数显仪表进行连接；所述多功能数显仪表具有数据输入、计算、存储、显示、输出等功能。

在进行材料的温度测量前，先在多功能数显仪表中预设h＝cmδt/[s(ta–t介)t]及tb＝2[hst介t1-ta(hst1/2+cm)]/(hst1-2cm)的计算公式，然后将材料的比热容c、材料的质量m、材料的表面积s、周围环境介质温度t介、材料从b处移动到a处所用时间t1录入多功能数显仪表中，再使用测温探头测量材料在a处的温度ta、材料在a处温度下降δt所用时间t，即可在多功能数显仪表中显示和输出材料在b处的温度tb。

下面通过具体案例进行详细说明，以厚15mm、宽400mm的7075挤压排材为例：

如图1所示，将铸锭1置于挤压筒2中，再通过挤压模具3向前梁4方向进行挤压，得到挤压排材5，前梁出口处6设置为a处，模具出口处7设置为b处；具体所使用的测量装置包括测温探头8、补尝导线9和多功能数显仪表10，所述测温探头8通过补尝导线9与多功能数显仪表10进行连接。

单位长度(1m)的挤压排材重量m＝16.2kg，参与传热的表面积s＝(0.15+0.4)×2×1＝0.83m²(本实施例中，由于所测产品是连续的，所以两端的两个面不参与对流传热，只是外表面的4个面参与传热。如果是单独的整个产品，则表面积是按照6个面进行计算，即：表面积根据实际情况取值)，比热容c＝921j/(kg.k)，周围环境介质(车间空气)温度t介＝30℃＝30+273k＝303k，b处到a处长度l＝2.7m＝2700mm，挤压速度v＝0.5m/min，则产品从b处运动到a处所用时间为t1＝l/v＝324s，设材料在b处的温度为tb，材料在a处的温度为ta。

表面传热系数的计算：在a处测得产品温度ta＝396.0℃＝396.0+273k＝669k，经过7.2s后，产品温度降低了1℃＝1k，即δt＝1；在a处测量间隔时间t＝7.2s内材料放出的热量q1＝cmδt；t＝7.2s时间内经过对流传热散出的热量q2＝qt＝hs(ta–t介)t，由q1＝q2及δt＝1，得出材料的表面传热系数：

h＝cmδt/[s(ta–t介)t]

＝cm/[s(ta–t介)t]

＝(921×16.2)/[0.83×(669-303)×7.2]

＝6.77w/(m².k)

模具出口温度的测量：产品从模具出口处(b处)移动到前梁处(a处)所用时间t1内，由于时间t1相对较长，材料的温度变化较大，计算表面对流传热时，为了减少误差，t材取tb和ta的平均值，即t材＝(tb+ta)/2。因此，时间t1内材料经过对流传热散出的热量q传＝qt1＝hs(t材–t介)t1＝hs(t材–t介)l/v，材料在t1时间内温度变化为δt1＝tb-ta，放出的热量为q放＝cmδt1，根据q传＝q放得出：

tb＝2[hst介t1-ta(hst1/2+cm)]/(hst1-2cm)

＝2×[6.77×0.83×303×324-669×(6.77×0.83×324/2+921×16.2)]/(6.77×0.83×324-2×921×16.2)

＝716.6k＝443.6℃；

即产品在b处的温度为443.6℃。

因此，只需要在多功能数显仪表中预设h＝cmδt/[s(ta–t介)t]及tb＝2[hst介t1-ta(hst1/2+cm)]/(hst1-2cm)的计算公式，在测量前将材料的比热容c＝921j/(kg.k)、单位长度材料的质量m＝16.2kg、单位长度材料的表面积s＝0.83m²、周围环境介质(空气)温度t介＝303k、材料从b处移动到a处所用时间t1＝324s等数据录入多功能数显仪表中，再测量产品在a处的温度ta＝669k、产品在a处温度下降δt＝1℃所用时间t＝7.2s，就可以在多功能数显仪表中计算并显示和输出材料在b处的温度tb＝443.6℃，达到温度远程测量的目的。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限制本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。