基于熱電偶原理風(fēng)速傳感器檢測特性的研究
1 熱電偶式風(fēng)速傳感器檢測原理傳統(tǒng)的風(fēng)速檢測常采用機(jī)械渦流式和熱傳導(dǎo)式傳感器,前者不利于風(fēng)速參數(shù)的連續(xù)量測,后者受環(huán)境溫度和濕度的影響大,不利于在惡劣的礦井環(huán)境中的檢測。熱電偶式風(fēng)速傳感器克服了傳統(tǒng)風(fēng)速檢測方法的缺點(diǎn),具有可靠性好,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。這種基于熱電偶式的風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,該傳感器有4個(gè)端,ａ、ｂ為加溫鉑金絲,ｃ、ｄ為熱電偶,熱電偶式風(fēng)速傳感器的原理:在ａ、ｂ端輸入恒定38ｍＡ的加溫電流,以供給熱電偶一個(gè)工作環(huán)境溫度,此時(shí),在ｃ、ｄ兩端出現(xiàn)一個(gè)約7ｍＶ的熱電勢。在量測風(fēng)速時(shí),風(fēng)流使熱電偶的工作環(huán)境溫度下降,ｃ、ｄ兩端的熱電勢發(fā)生變化,其值為風(fēng)速的函數(shù)。因此通過熱電勢的量測可以計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)速值。
2 熱電偶式風(fēng)速傳感器輸出特性
為了深入分析熱電偶式風(fēng)速傳感器的輸入輸出關(guān)系,首先從熱力學(xué)基本理論來分析[2]。風(fēng)速傳感器在檢測風(fēng)速時(shí),風(fēng)速加快空氣的對流,通過對流換熱帶走加溫絲產(chǎn)生的熱量。根據(jù)熱傳導(dǎo)對流換熱原理,當(dāng)空氣掠過加溫絲時(shí),由于粘性力的作用在氣體加溫絲表面形成一層很薄的流動邊界層,邊界層的流動狀態(tài)是層流,在層流內(nèi)氣體的移動是相互平行的,因此加溫絲傳給氣體的熱量主要依靠氣體的導(dǎo)熱,在邊界層以外的主流區(qū)內(nèi)氣體質(zhì)點(diǎn)不斷運(yùn)動和混合,把熱量從一處帶到另一處,除了質(zhì)點(diǎn)混合所進(jìn)行的對流換熱外,在主流區(qū)內(nèi)還存在質(zhì)點(diǎn)間的傳導(dǎo)傳熱。初始由于加溫絲發(fā)出的熱量Ｑ與向周圍環(huán)境散出的熱量Ｑ′相等,加溫絲表面溫度Ｔｗ處于平衡狀態(tài)(無風(fēng)),當(dāng)有風(fēng)吹過時(shí),加溫絲向周圍以對流換熱方式散發(fā)的熱量增加,即Ｑ′>Ｑ,此時(shí)Ｔｗ因熱量散發(fā)而降低,Ｔｗ與Ｗｘ呈現(xiàn)單調(diào)函數(shù)關(guān)系Ｔｗ=ｆ(Ｗｘ)(Ｗｘ為沿加溫絲表面風(fēng)速)。
據(jù)熱力學(xué)中牛頓定律,當(dāng)固體熱源向周圍環(huán)境以對流方式散發(fā)熱量時(shí),其熱流而熱電偶式風(fēng)速傳感器ｃ、ｄ兩端是熱電偶,其輸出電勢與溫度關(guān)系多成非線性關(guān)系,當(dāng)2種導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶其兩端溫度不等時(shí),熱電偶的熱電勢
由式(5)可以看出,熱電偶的熱電勢與溫度之間的關(guān)系一般不成線性關(guān)系。因此通過以上對熱電偶式風(fēng)速傳感器的分析,可以推出風(fēng)速與檢測電路輸出電壓之間的關(guān)系,其關(guān)系比較復(fù)雜,呈現(xiàn)非線性關(guān)系。但是通過對熱電偶風(fēng)速傳感器的加溫絲ａ、ｂ端和熱電偶ｃ、ｄ端選用性能穩(wěn)定的鉑金絲,同時(shí)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,通過實(shí)驗(yàn)量測,該風(fēng)速傳感器輸出電勢與風(fēng)速具有一定的線性關(guān)系。如需獲得很高的量測精度,可以通過硬件電路補(bǔ)償和軟件進(jìn)行非線性校正。
3 影響風(fēng)速傳感器量測精度因素的分析
(1)環(huán)境溫度的影響考察式(3)可看Ｔｗ是兩項(xiàng)的和,當(dāng)Ｔｆ與后一項(xiàng)差值較小時(shí)Ｔｆ對Ｔｗ影響較大,因此環(huán)境溫度的影響要考慮,如陽光直接照射時(shí)Ｔｆ加大,直接改變了Ｔｗ,盡管此時(shí)無風(fēng)掠過加溫絲,若后一項(xiàng)遠(yuǎn)大于Ｔｆ,則Ｔｆ對Ｔｗ影響就可忽略(但不能消除),解決辦法只能提高加溫元件的溫度,還可看出電阻Ｒ值是風(fēng)速Ｗｘ的函數(shù),這使Ｔｗ與Ｗｘ的關(guān)系更為復(fù)雜。
(2)加溫絲結(jié)構(gòu)的影響對傳感器的一般要**:既要體積小又要響應(yīng)快,由式(1)可看出,在相同的功率下增加加溫絲的熱阻也就增加了溫差,擴(kuò)大了動態(tài)范圍,減小ｓ即可加大熱阻,但加大熱阻的負(fù)面影響是使傳感器的響應(yīng)減慢。令Ｒｔ為加溫絲熱阻,將傳感器放入低溫中,加溫絲表面溫度變化速度與環(huán)境溫度之差Ｔｗ-Ｔｆ成正比,據(jù)此建立方程其中Ｔｗ(0)為加溫絲的初始溫度,顯然Ｒｔ是這個(gè)衰減過程中時(shí)間常數(shù),Ｒｔ越大,Ｔｗ衰減得越慢,Ｒｔ與加溫絲的體積有關(guān),體積大,Ｒｔ小;體積小,Ｒｔ大,綜合考慮Ｒｔ以<1ｓ為宜。
(3)影響輸出靈敏度的因素
由式(4)可以看出,增加通過加溫絲的電流Ｉ,能夠提高輸出靈敏度,同時(shí)提高了加溫絲表面溫度,減小環(huán)境溫度的影響,但由于鉑金加溫絲的溫度效應(yīng),表面溫度過高,會導(dǎo)致其阻值增大,影響輸出**度。通過改變加溫絲的結(jié)構(gòu),增加其長度Ｌｓ,減小加溫絲的面積,使加溫絲阻值增大,提高了輸出靈敏度。
(4)熱電偶的傳熱誤差和動態(tài)誤差的影響風(fēng)速傳感器的ｃ、ｄ端的熱電偶量測溫度與其他感溫元件一樣,是通過熱電偶與被測介質(zhì)之間的熱量交換,熱電偶一方面用以加溫,提高自身的溫度;同時(shí)又向周圍散失熱量,當(dāng)熱交換達(dá)到平衡時(shí),熱電偶量測端也就達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的溫度。但由于熱交換過程中存在傳熱誤差,熱電偶量測的溫度低于被測介質(zhì)的溫度,這種誤差主要由導(dǎo)熱、對流、輻射3種基本熱交換形式造成的。因此要考慮熱結(jié)點(diǎn)的幾何形狀、尺寸。用熱電偶量測溫度時(shí),由于熱結(jié)點(diǎn)具有一定的熱容量,熱結(jié)點(diǎn)從介質(zhì)中吸收熱量后,加溫自身提高溫度到穩(wěn)定值就需要一定時(shí)間,熱結(jié)點(diǎn)的溫度的變化,在時(shí)間上總滯后于被測介質(zhì)的溫度的變化。這種熱慣性也就造成了動態(tài)響應(yīng)誤差。為了減小動態(tài)誤差,適當(dāng)采用尺寸較小和Ｖ/Ｆ較小(Ｖ為熱結(jié)點(diǎn)的體積,Ｆ為熱結(jié)點(diǎn)的表面積)的熱結(jié)點(diǎn)。
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