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基于熱電偶原理風速傳感器檢測特性的研究

   1　熱電偶式風速傳感器檢測原理傳統的風速檢測常采用機械渦流式和熱傳導式傳感器,前者不利于風速參數的連續量測,后者受環境溫度和濕度的影響大,不利于在惡劣的礦井環境中的檢測。熱電偶式風速傳感器克服了傳統風速檢測方法的缺點,具有可靠性好,性能穩定等優點。這種基于熱電偶式的風速傳感器結構如圖1所示,該傳感器有4個端,ａ、ｂ為加溫鉑金絲,ｃ、ｄ為熱電偶,熱電偶式風速傳感器的原理:在ａ、ｂ端輸入恒定38ｍＡ的加溫電流,以供給熱電偶一個工作環境溫度,此時,在ｃ、ｄ兩端出現一個約7ｍＶ的熱電勢。在量測風速時,風流使熱電偶的工作環境溫度下降,ｃ、ｄ兩端的熱電勢發生變化,其值為風速的函數。因此通過熱電勢的量測可以計算出相應的風速值。

   2　熱電偶式風速傳感器輸出特性
   為了深入分析熱電偶式風速傳感器的輸入輸出關系,首先從熱力學基本理論來分析[2]。風速傳感器在檢測風速時,風速加快空氣的對流,通過對流換熱帶走加溫絲產生的熱量。根據熱傳導對流換熱原理,當空氣掠過加溫絲時,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,邊界層的流動狀態是層流,在層流內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熱,在邊界層以外的主流區內氣體質點不斷運動和混合,把熱量從一處帶到另一處,除了質點混合所進行的對流換熱外,在主流區內還存在質點間的傳導傳熱。初始由于加溫絲發出的熱量Ｑ與向周圍環境散出的熱量Ｑ′相等,加溫絲表面溫度Ｔｗ處于平衡狀態(無風),當有風吹過時,加溫絲向周圍以對流換熱方式散發的熱量增加,即Ｑ′>Ｑ,此時Ｔｗ因熱量散發而降低,Ｔｗ與Ｗｘ呈現單調函數關系Ｔｗ=ｆ(Ｗｘ)(Ｗｘ為沿加溫絲表面風速)。
    據熱力學中牛頓定律,當固體熱源向周圍環境以對流方式散發熱量時,其熱流而熱電偶式風速傳感器ｃ、ｄ兩端是熱電偶,其輸出電勢與溫度關系多成非線性關系,當2種導體構成的熱電偶其兩端溫度不等時,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系一般不成線性關系。因此通過以上對熱電偶式風速傳感器的分析,可以推出風速與檢測電路輸出電壓之間的關系,其關系比較復雜,呈現非線性關系。但是通過對熱電偶風速傳感器的加溫絲ａ、ｂ端和熱電偶ｃ、ｄ端選用性能穩定的鉑金絲,同時對其結構進行調整,通過實驗量測,該風速傳感器輸出電勢與風速具有一定的線性關系。如需獲得很高的量測精度,可以通過硬件電路補償和軟件進行非線性校正。
   3　影響風速傳感器量測精度因素的分析
   (1)環境溫度的影響考察式(3)可看Ｔｗ是兩項的和,當Ｔｆ與后一項差值較小時Ｔｆ對Ｔｗ影響較大,因此環境溫度的影響要考慮,如陽光直接照射時Ｔｆ加大,直接改變了Ｔｗ,盡管此時無風掠過加溫絲,若后一項遠大于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值是風速Ｗｘ的函數,這使Ｔｗ與Ｗｘ的關系更為復雜。
   (2)加溫絲結構的影響對傳感器的一般要**:既要體積小又要響應快,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,擴大了動態范圍,減小ｓ即可加大熱阻,但加大熱阻的負面影響是使傳感器的響應減慢。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境溫度之差Ｔｗ-Ｔｆ成正比,據此建立方程其中Ｔｗ(0)為加溫絲的初始溫度,顯然Ｒｔ是這個衰減過程中時間常數,Ｒｔ越大,Ｔｗ衰減得越慢,Ｒｔ與加溫絲的體積有關,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,同時提高了加溫絲表面溫度,減小環境溫度的影響,但由于鉑金加溫絲的溫度效應,表面溫度過高,會導致其阻值增大,影響輸出**度。通過改變加溫絲的結構,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誤差的影響風速傳感器的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;同時又向周圍散失熱量,當熱交換達到平衡時,熱電偶量測端也就達到一個穩定的溫度。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的溫度,這種誤差主要由導熱、對流、輻射3種基本熱交換形式造成的。因此要考慮熱結點的幾何形狀、尺寸。用熱電偶量測溫度時,由于熱結點具有一定的熱容量,熱結點從介質中吸收熱量后,加溫自身提高溫度到穩定值就需要一定時間,熱結點的溫度的變化,在時間上總滯后于被測介質的溫度的變化。這種熱慣性也就造成了動態響應誤差。為了減小動態誤差,適當采用尺寸較小和Ｖ/Ｆ較小(Ｖ為熱結點的體積,Ｆ為熱結點的表面積)的熱結點。

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