TWI636251B - 熱特性量測裝置 - Google Patents

Abstract

一種熱特性量測裝置，用於量測待測物的熱特性。所述熱特性量測裝置包括發熱元件、量測窗口以及至少一個溫度感測器。發熱元件用以加熱至第一溫度。量測窗口與發熱元件之間藉由特定幾何關係來設置，量測窗口係用以提供待測物與發熱元件之間的熱量傳遞途徑。溫度感測器用以量測待測物的初始溫度，以及在發熱元件加熱後量測待測物的量測溫度。待測物的量測溫度不同於其初始溫度。待測物的熱特性關聯於所述特定幾何關係、第一溫度、初始溫度、量測溫度以及環境溫度。

Description

熱特性量測裝置

本發明是有關於一種量測裝置，且特別是有關於一種材料的熱特性量測裝置。

物體的放射率(emissivity)又稱輻射係數，是用以衡量物體表面以熱輻射的形式釋放能量的能力。為了表示的便利，物理學上將物體的放射率定義為物體在特定溫度下放射的能量與同樣特定溫度下黑體輻射能量的比值，其中黑體的放射率定義為1，而其他物體的放射率則藉於0與1之間。一般而言，材料的顏色越深或表面越粗糙，其放射率就越接近1；而材料的反射率越高，其放射率就越低。

自從蘇格蘭物理學家約翰．萊斯利(John Leslie)於西元1804年發明了萊氏盒(Leslie’s cube)的放射率量測方法後，至今的量測儀器越來越精確及嚴謹，但是常常都需要大量的精密儀器來輔助量測。舉例而言，為了隔絕外界的熱源干擾需要提供真空環境，或有時需要提供模擬黑體的材質等。此外，低放射率的物 體也不易量測。因此，在量測物體放射率時常產生昂貴的量測成本，且量測地點也會受到限制。

本發明提供一種熱特性量測裝置，能夠不受待測物本身熱特性的不同而影響其熱特性量測的準確度，且同時具備低成本與攜帶便利的特性。

本發明的熱特性量測裝置用於量測待測物的熱特性。所述熱特性量測裝置包括發熱元件、量測窗口以及至少一個溫度感測器。發熱元件用以加熱至第一溫度。量測窗口與發熱元件之間藉由特定幾何關係來設置，量測窗口係用以提供待測物與發熱元件之間的熱量傳遞途徑。溫度感測器用以量測待測物的初始溫度，以及在發熱元件加熱後量測待測物的量測溫度。待測物的量測溫度不同於其初始溫度。待測物的熱特性關聯於所述特定幾何關係、第一溫度、初始溫度、量測溫度以及環境溫度。

基於上述，本發明提供的熱特性量測裝置利用已知溫度與材料熱特性的發熱元件來與待測物進行熱量傳遞。藉由觀測發熱元件與待測物之間，透過量測窗口的熱量傳遞，結合可直接量測的待測物初始溫度以及環境溫度，再搭配熱特性量測裝置中發熱元件與量測窗口間的幾何關係，能夠準確地計算出待測物的熱特性，且同時具備低成本與攜帶便利的特性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200、300‧‧‧熱特性量測裝置

310‧‧‧手持式量測元件

CS‧‧‧封裝外殼

HE‧‧‧發熱元件

MW‧‧‧量測窗口

OB‧‧‧待測物

PROC‧‧‧處理器

TS‧‧‧溫度感測器

TS1‧‧‧第一溫度感測器

TS2‧‧‧第二溫度感測器

TS3‧‧‧第三溫度感測器

圖1繪示本發明一實施例的熱特性量測裝置的架設示意圖。

圖2繪示本發明一實施例的熱特性量測裝置的概要方塊圖。

圖3繪示本發明另一實施例的熱特性量測裝置的概要方塊圖。

圖1繪示本發明一實施例的熱特性量測裝置的架設示意圖。請參照圖1，本實施例之熱特性量測裝置100包括發熱元件HE、量測窗口MW、至少一個溫度感測器TS1~TS3以及封裝外殼CS，使用者可例如使量測窗口MW對準並接近待測物OB，以量測待測物OB的熱特性。在本實施例中，所量測的待測物OB的熱特性例如是待測物OB的熱輻射放射率(emissivity)。以下將針對本發明實施例的熱特性量測裝置100中的各項元件說明之。

在本實施例中，發熱元件HE例如為已知放射率為ε _H 的材料，並可加熱至已知的第一溫度，但本發明並不在此限制發熱元件HE的實際實作方式。

舉例來說，發熱元件HE可例如是可控熱源連接於放射率為ε _H 的材料。藉由控制可控熱源，發熱元件HE可被加熱至第一溫度。在另一實施例中，發熱元件HE亦可例如是不可控熱源連接 於放射率為ε _H 的材料，並且藉由架設另一溫度感測器(未繪示)來量測發熱元件HE加熱前與加熱後的溫度。換言之，所屬領域具備通常知識者當可依其需求來設置發熱元件HE，使其能夠加熱至已知的第一溫度，本發明並不在此限制。

在本實施例中，量測窗口MW用以提供待測物OB與發熱元件HE之間的熱量傳遞途徑。具體來說，當發熱元件HE被加熱至第一溫度，且此第一溫度高於待測物的初始溫度時，發熱元件HE通過量測窗口MW將淨熱量輻射至待測物OB。而待測物OB在接收到來自發熱元件HE的熱量後，也可能將部分的熱量通過量測窗口MW輻射回熱特性量測裝置100中。藉由觀測上述的熱量傳遞過程，本發明實施例的熱特性量測裝置100將能夠用以量測待測物OB的熱特性。

值得一提的是，依據發熱元件HE與量測窗口MW在熱特性量測裝置100中的設置位置與設置角度，發熱元件HE與量測窗口MW之間具有一個特定的幾何關係，而此特定的幾何關係將直接關聯於發熱元件HE與量測窗口MW之間的輻射視因子，以及量測窗口MW與各溫度感測器TS1~TS3之間的輻射視因子。除了發熱元件HE與量測窗口MW在熱特性量測裝置100中的設置位置與設置角度之外，上述的輻射視因子還關聯於發熱元件He、量測窗口MW以及各溫度感測器TS1~TS3在傳遞熱輻射時的表面積與表面形狀。所屬領域具備通常知識者當可由熱力學的相關文獻中獲致與輻射視因子相關的教示，故在此不加以贅述。

在本實施例中，至少一個溫度感測器用以在發熱元件HE加熱之前，量測待測物OB的初始溫度，以及在發熱元件HE加熱至第一溫度之後，量測待測物OB的量測溫度。在本實施例中，至少一個溫度感測器包括第一溫度感測器TS1、第二溫度感測器TS2，以及第三溫度感測器TS3，但本發明並不限於此。換言之，本領域具備通常知識者可以依其需求來設置多個溫度感測器來分別量測各個溫度(例如，待測物OB的初始溫度或量測溫度等)。

在本實施例中，第一溫度感測器TS1是設置於量測窗口MW，用以在發熱元件HE加熱之前量測待測物OB的初始溫度。第二溫度感測器TS2例如是設置於封裝外殼CS內，用以在發熱元件HE加熱至第一溫度之後量測待測物OB的量測溫度。第三溫度感測器TS3例如是與第二感測器TS2共同設置於封裝外殼CS內，用以量測封裝外殼CS內的環境溫度，或第二感測器TS2的使用環境下的環境溫度。

特別是，在實際使用的情境下，如前所述，量測溫度例如是待測物OB接收到來自加熱至第一溫度(例如，高於待測物OB的初始溫度)的發熱元件HE的輻射熱後，再回傳而使第二溫度感測器TS2量測到的溫度，因此待測物OB的量測溫度會不同於其初始溫度，而初始溫度則可以是相同或不同於環境溫度。

然而，至少一個溫度感測器也可例如包括多於或少於三個溫度感測器。在另一實施例中，至少一個溫度感測器可例如僅包括第二溫度感測器TS2以及第三溫度感測器TS3。第二溫度感 測器TS2分別在發熱元件HE加熱前與加熱至第一溫度後，量測待測物OB的初始溫度以及量測溫度，並且第三溫度感測器TS3量測環境溫度。在又另一例實施例中，至少一個溫度感測器除了第一溫度感測器TS1、第二溫度感測器TS2以及第三溫度感測器外，可例如更包括第四溫度感測器，用以量測發熱元件HE的溫度。

附帶一提的，本發明實施例並不在此限制各溫度感測器的具體實作方式。在一實施例中，各溫度感測器可例如是熱像儀，將輻射熱轉換為電訊號(例如，電壓值)，而不同大小的電訊號係表示不同的溫度。更明確地說，本發明實施例並不在此限制量測溫度時所取得的資料型式。所屬領域具備通常知識者當可依其需求來選擇用來感測溫度的溫度感測器等元件，而不同的元件可以具有不同的資料型式。

本實施例的熱特性量測裝置100在如圖1所示的架設下，可在淨熱量從發熱元件HE傳遞至待測物OB前，量測到待測物OB的初始溫度。並且，在發熱元件HE加熱到第一溫度，並透過量測窗口MW傳遞淨熱量至待測物OB後，量測到待測物OB的量測溫度。如此一來，本實施例中熱特性量測裝置100所量測的熱特性(即，熱輻射放射率)可以下列等式(1)來表示：

其中，ε _TBM 為待測物OB的熱輻射放射率；F為一係數，此係數關聯於發熱元件HE與量測窗口MW之間的輻射視因子， 以及量測窗口MW與第二溫度感測器TS2之間的輻射視因子；ε _H 為發熱元件HE的熱輻射放射率；T _H 為第一溫度；T _IN 為待測物OB的初始溫度；T _M 為待測物OB的量測溫度以及T _EN 為所量測的環境溫度。在本實施例中，係數F為發熱元件HE與量測窗口MW之間的輻射視因子，與量測窗口MW與第二溫度感測器TS2之間的輻射視因子的比值。

值得一提的，本發明實施例並不加以限制與描述取得圖1實施例中來自各元件的資料的細節。舉例來說，至少一溫度感測器TS1~TS3以及發熱元件HE的資料(例如，各項溫度資料)可例如是將至少一溫度感測器TS1~TS3以及發熱元件HE連接於封裝外殼CS的連接埠，以有線的方式來傳輸，但不限於此。

圖2繪示本發明一實施例的熱特性量測裝置的概要方塊圖。請參照圖2，圖1實施例的熱特性量測裝置100可例如更包括處理器PROC，而成為本實施例的熱特性量測裝置200。在本實施例中，熱特性量測裝置200包括發熱元件HE、量測窗口MW、至少一溫度感測器TS以及處理器PROC，其中相同的標號用來表示與前述實施例中相同或類似的元件，故在此不再對其贅述。

在本實施例中，發熱元件HE、量測窗口MW、至少一溫度感測器TS以及處理器PROC可例如是設置於一個封裝外殼當中，以形成手持式的熱特性量測裝置200。使用者可例如是手持本實施例的熱特性量測裝置200，將量測窗口MW對準並接近待測物，以量測待測物的熱特性(例如，熱輻射放射率)。

在本實施例中，處理器PROC耦接於發熱元件HE以及至少一溫度感測器TS。發熱元件HE與量測窗口MW之間的輻射視因子設定於處理器PROC之中，因此處理器PROC例如可藉由前述的等式(1)來計算得到待測物的熱輻射放射率。

在一實施例中，手持式的熱特性量測裝置200可例如是更包括顯示元件(未繪示)，耦接於處理器PROC，用以在處理器PROC計算出待測物的熱特性後，將其顯示於顯示元件中。

圖3繪示本發明一實施例的熱特性量測裝置的概要方塊圖。請參照圖3，圖1實施例的熱特性量測裝置100可例如更包括處理器PROC，而成為本實施例的熱特性量測裝置300。在本實施例中，熱特性量測裝置300包括發熱元件HE、量測窗口MW、至少一溫度感測器TS以及處理器PROC，其中相同的標號用來表示與前述實施例中相同或類似的元件，故在此不再對其贅述。

本實施例與圖2實施例的差別在於，在本實施例中，發熱元件HE、量測窗口MW以及至少一溫度感測器TS可例如是設置於一個封裝外殼當中，以形成手持式量測元件310，而手持式量測元件310可外接至處理器PROC。在本實施例中，使用者可例如是手持手持式量測裝置310，將量測窗口MW對準並接近待測物，以取得待測物的初始溫度以及量測溫度。隨後，將所取得的初始溫度以及量測溫度提供至處理器PROC，在藉由處理器PROC依據預先設定的發熱元件HE與量測窗口MW之間的輻射視因子、發熱元件HE的熱輻射放射率、發熱元件HE加熱後的第一溫度、量 測環境的環境溫度，以及手持式量測裝置310所取得的初始溫度和量測溫度，來依據上述的等式(1)計算出待測物的熱輻射放射率。

類似地，本實施例的處理器PROC可更耦接於顯示元件(未繪示)，以將處理器PROC的計算結果顯示於顯示元件中。

值得一提的是，本發明實施例的熱特性量測裝置會觀測待測物所反射的來自發熱元件的熱輻射，因此當待測物為不透光材質時，本發明實施例所提供的的熱特性量測裝置將能夠具有更精準的量測結果。

綜上所述，本發明實施例所提供的熱特性量測裝置，利用已知溫度與材料熱特性的發熱元件來與待測物進行熱量傳遞。藉由觀測發熱元件與待測物之間，透過量測窗口的熱量傳遞，結合可直接量測的待測物初始溫度以及環境溫度，再搭配熱特性量測裝置中發熱元件與量測窗口間的幾何關係，能夠準確地計算出待測物的熱特性，且同時具備低成本與攜帶便利的特性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種熱特性量測裝置，用於量測一待測物的一熱特性，所述熱特性量測裝置包括： 一發熱元件，用以加熱至一第一溫度； 一量測窗口，用以提供該待測物與該發熱元件之間的熱量傳遞途徑，其中該發熱元件與該量測窗口之間藉由一幾何關係來設置；以及 至少一溫度感測器，用以量測該待測物的一初始溫度，以及於該發熱元件加熱至該第一溫度後量測該待測物的一量測溫度，其中該初始溫度不同於該量測溫度， 其中該待測物的該熱特性關聯於該幾何關係、該發熱元件的該熱特性、該第一溫度、該初始溫度、該量測溫度以及一環境溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該熱特性為一熱輻射放射率。
3. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該幾何關係關聯於該發熱元件與該量測窗口之間的一輻射視因子，以及該量測窗口與各該溫度感測器之間的一輻射視因子。
4. 如申請專利範圍第3項所述的量測裝置，其中該熱特性為一熱輻射放射率，並且該待測物的該熱特性以下列等式關聯於該幾何關係、該發熱元件的該熱特性、該第一溫度、該初始溫度、該量測溫度以及該環境溫度：

   

   ， 其中

   

   為該待測物的該熱特性，

   

   為該輻射視因子，

   

   為該發熱元件的該熱特性，

   

   為該第一溫度，

   

   為該初始溫度，

   

   為該量測溫度以及

   

   為該環境溫度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，更包括： 一處理器，耦接於該發熱元件以及該至少一溫度感測器，用以依據該幾何關係、該發熱元件的該熱特性、該第一溫度、該初始溫度、該量測溫度以及該環境溫度計算該待測物的該熱特性。
6. 如申請專利範圍第5項所述的量測裝置，其中該發熱元件、該量測窗口、該至少一溫度感測器以及該處理器設置於一封裝外殼中，以形成一手持式熱特性量測裝置。
7. 如申請專利範圍第5項所述的量測裝置，其中該發熱元件、該量測窗口以及該至少一溫度感測器設置於一封裝外殼中，以形成一手持式量測元件，並且該處理器外接於該手持式量測元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該至少一溫度感測器包括： 一第一溫度感測器，設置於該量測窗口，用以於該發熱元件加熱前量測該待測物的該初始溫度；以及 一第二溫度感測器，用以於該發熱元件加熱至該第一溫度後量測該待測物的量測溫度。
9. 如申請專利範圍第5項所述的量測裝置，其中該至少一溫度感測器更包括一第三溫度感測器，用以量測該環境溫度。
10. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該待測物係為一不透光材質。