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基于热电偶原理风速传感器检测特性的研究


   1 热电偶式风速传感器检测原理传统的风速检测常采用机械涡流式和热传导式传感器,前者不利于风速参数的连续量测,后者受环境温度和湿度的影响大,不利于在恶劣的矿井环境中的检测。热电偶式风速传感器克服了传统风速检测方法的缺点,具有可靠性好,性能稳定等优点。这种基于热电偶式的风速传感器结构如图1所示,该传感器有4个端,a、b为加温铂金丝,c、d为热电偶,热电偶式风速传感器的原理:在a、b端输入恒定38mA的加温电流,以供给热电偶一个工作环境温度,此时,在c、d两端出现一个约7mV的热电势。在量测风速时,风流使热电偶的工作环境温度下降,c、d两端的热电势发生变化,其值为风速的函数。因此通过热电势的量测可以计算出相应的风速值。

   2 热电偶式风速传感器输出特性
   为了深入分析热电偶式风速传感器的输入输出关系,首先从热力学基本理论来分析[2]。风速传感器在检测风速时,风速加快空气的对流,通过对流换热带走加温丝产生的热量。根据热传导对流换热原理,当空气掠过加温丝时,由于粘性力的作用在气体加温丝表面形成一层很薄的流动边界层,边界层的流动状态是层流,在层流内气体的移动是相互平行的,因此加温丝传给气体的热量主要依靠气体的导热,在边界层以外的主流区内气体质点不断运动和混合,把热量从一处带到另一处,除了质点混合所进行的对流换热外,在主流区内还存在质点间的传导传热。初始由于加温丝发出的热量Q与向周围环境散出的热量Q′相等,加温丝表面温度Tw处于平衡状态(无风),当有风吹过时,加温丝向周围以对流换热方式散发的热量增加,即Q′>Q,此时Tw因热量散发而降低,Tw与Wx呈现单调函数关系Tw=f(Wx)(Wx为沿加温丝表面风速)。
    据热力学中牛顿定律,当固体热源向周围环境以对流方式散发热量时,其热流而热电偶式风速传感器c、d两端是热电偶,其输出电势与温度关系多成非线性关系,当2种导体构成的热电偶其两端温度不等时,热电偶的热电势

    由式(5)可以看出,热电偶的热电势与温度之间的关系一般不成线性关系。因此通过以上对热电偶式风速传感器的分析,可以推出风速与检测电路输出电压之间的关系,其关系比较复杂,呈现非线性关系。但是通过对热电偶风速传感器的加温丝a、b端和热电偶c、d端选用性能稳定的铂金丝,同时对其结构进行调整,通过实验量测,该风速传感器输出电势与风速具有一定的线性关系。如需获得很高的量测精度,可以通过硬件电路补偿和软件进行非线性校正。
   3 影响风速传感器量测精度因素的分析
   (1)环境温度的影响考察式(3)可看Tw是两项的和,当Tf与后一项差值较小时Tf对Tw影响较大,因此环境温度的影响要考虑,如阳光直接照射时Tf加大,直接改变了Tw,尽管此时无风掠过加温丝,若后一项远大于Tf,则Tf对Tw影响就可忽略(但不能消除),解决办法只能提高加温元件的温度,还可看出电阻R值是风速Wx的函数,这使Tw与Wx的关系更为复杂。
   (2)加温丝结构的影响对传感器的一般要求是:既要体积小又要响应快,由式(1)可看出,在相同的功率下增加加温丝的热阻也就增加了温差,扩大了动态范围,减小s即可加大热阻,但加大热阻的负面影响是使传感器的响应减慢。令Rt为加温丝热阻,将传感器放入低温中,加温丝表面温度变化速度与环境温度之差Tw-Tf成正比,据此建立方程其中Tw(0)为加温丝的初始温度,显然Rt是这个衰减过程中时间常数,Rt越大,Tw衰减得越慢,Rt与加温丝的体积有关,体积大,Rt小;体积小,Rt大,综合考虑Rt以<1s为宜。
   (3)影响输出灵敏度的因素
   由式(4)可以看出,增加通过加温丝的电流I,能够提高输出灵敏度,同时提高了加温丝表面温度,减小环境温度的影响,但由于铂金加温丝的温度效应,表面温度过高,会导致其阻值增大,影响输出**度。通过改变加温丝的结构,增加其长度Ls,减小加温丝的面积,使加温丝阻值增大,提高了输出灵敏度。
   (4)热电偶的传热误差和动态误差的影响风速传感器的c、d端的热电偶量测温度与其他感温元件一样,是通过热电偶与被测介质之间的热量交换,热电偶一方面用以加温,提高自身的温度;同时又向周围散失热量,当热交换达到平衡时,热电偶量测端也就达到一个稳定的温度。但由于热交换过程中存在传热误差,热电偶量测的温度低于被测介质的温度,这种误差主要由导热、对流、辐射3种基本热交换形式造成的。因此要考虑热结点的几何形状、尺寸。用热电偶量测温度时,由于热结点具有一定的热容量,热结点从介质中吸收热量后,加温自身提高温度到稳定值就需要一定时间,热结点的温度的变化,在时间上总滞后于被测介质的温度的变化。这种热惯性也就造成了动态响应误差。为了减小动态误差,适当采用尺寸较小和V/F较小(V为热结点的体积,F为热结点的表面积)的热结点。

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