雙自熱珠式熱敏元件在水流速測量中的應用.docx

1、雙自熱珠式熱敏元件在水流速測量中的應用陳秋航（宜賓地區(qū)技#監(jiān)噌局室賓644000）王廁程（成都宏明電子實業(yè)總公司成都610058）T7摘要研制出一種由雙自然NTC熱敏元件杓成的斷型水浪速傳感容。它克股了熹漿義流迫傳感春響應慢、瑯殊JL等媒點，道用于測量070cm/s的水速。關鍵詞尸白熱烘做尤件51電阻溫度數(shù)水流速度,藝可"祟，DuelSelf-heatedBeadThermalSensitiveElementsforWaterFlowVelocityMeasuringChenQiuhang(YibinBureauofTechnologySupervision*Yibin644000)

2、WangPengcheng(HongmingElectronicsIndustryCo.Chengdu610058)ABSTRACTAnewlydevelopedwarerflowvelocitysevuorcomposedofduelself-heatedNTCthermalenflitiveelementitrepresented.Thecompared由thpropeller-typecurrentmeter*,hasBorneadvan-tngestsuchM(MterBenningreponne,bettertraceability.Themeasuringrange沱070cm/，

3、KEYWORDSdudeW-heatcdthermaloeutuiveetecneciu»NTC.water(lowvelocity*收稽日期，1997-03-271引言現(xiàn)有劣工、也工模型使用的旋漿式流速儀，因轉(zhuǎn)動部件商大，存在響應慢易破壞水流場等缺點，使其應用受到一定限制.本文采用雙自熱熱敏元件,在傳感測頭、轉(zhuǎn)換電路、線化電路方面的研究，解決了動態(tài)特性的線化和熱損耗的補償?shù)葐栴}.這一成果，不僅滿足了時均流速測量的實用要求,使熱敏元件用作水流速度傳感器成為可能,也為熱敏元件動態(tài)特性的新應用創(chuàng)造了有利條件。2系統(tǒng)組成及其工作原理2.1系統(tǒng)組成我們采用恒流工作制進行水流流速測量研究的系統(tǒng)

4、由圖1所示的9個部分組成.2.2工作原理傳感器由兩只NTC熱敏電阻構成，均由恒流電源饋電。其中.作流速測量用的熱敏元件（RTD輸出一個既受流速影響，又受水溫影響的信號至加法器，作溫度補償用的熱敏元件（RTQ,輸出一個僅受水溫影響的信號至補償電路.經(jīng)補償電路處理后也籀至加法器。加法器電路對兩個信號合成后,輔出一個僅受水流速度影響的被測信息.該信息是非線性的，經(jīng)線化器處理后，輔出的信息分兩路.一路經(jīng)積分器精出一個時均流速信息至電壓表，另一路經(jīng)光線示波器輸出一圖1方槌電路圖圖1方槌電路圖個瞬時流信息，它與時均流速信號進一步合成，即可得到所需的昧沖流速信號.圖2所示為系統(tǒng)各電路測點的信息波形.牛頓定律

5、是熱敏元件用于水流速度測量的基礎。本研究借助RARasmussen先生的經(jīng)驗公式，提出了更為適用的經(jīng)驗公式：(1)式中：v水流速度；A與測頭結(jié)構和介質(zhì)有關的特性流速IB與NTC的工作電流、熱阻、溫度系數(shù)有關的靈敏度,U測頭的輸出電壓；C修正系數(shù).3傳感器的結(jié)構傳感器由測量元件R)，補償元件RTD、測桿、支撐體及后蓋等5部分組成.其外形尺寸見圖3.據(jù)靈敏度、穩(wěn)定性和工作介質(zhì)的要求，我們選用的RT】和RTt,均為經(jīng)玻璃封裝的微型珠式NTC熱敏元件.通過反復驗證，RT,和RT：的結(jié)構和尺寸如圖4所示.這對于保證河工模型的水流場，不會由于傳感器的投入而發(fā)生明顯變化是很有必要的.圖3傳痛邪結(jié)構示重此外，

6、為了減少熱損耗，支撐體選用熱導率小的高聚合物制作.為了取得良好的補償效果，我們選用了導黑優(yōu)良耐腐蝕的純銅后蓋。測桿材料無嚴格要求.只要具有足夠的強度即可。圖4弟敏元件結(jié)構示意4實駁4.1熱敏元件基本參數(shù)的選擇冷態(tài)阻值、B值、'熱時間常數(shù)、工作電流下的熱態(tài)阻值及其穩(wěn)定性等，是選擇熱敏元件的5個基本參數(shù).計算和試驗證明，想態(tài)阻值越大,輸出的信號越大.但過大的熱態(tài)阻值給電路設計帶來困難。B值越高.靈敏度越高。但過高的B值，靈敏度的衰減太快。為擴展流速測量范圍,應選擇B值較低的熱敏元件。通過反復試驗，由Mn、C。、Ni、Cu四元系氧化物制備的珠式熱敏元件，基本具備本研究項目要求。最終選定的冷態(tài)

7、阻值(&25)為1oooa士5%;B值為2860K±l%。流速測量用的熱敏元件，時間常數(shù)越小越好，由于工藝條件限制，本項目選用的熱敏元件，在水中的熱時間常數(shù)小于01s.熱態(tài)阻值取決于工作電流和耗散常數(shù)。為了保證足夠的輸出信號，我們選擇的工作電流為2030mA,與此對應的熱態(tài)阻值大于50Q.該元件的穩(wěn)定性，通過工藝質(zhì)控和電老化篩選保證。實踐證明，以40mA、100h為應力，以工作電流范圍內(nèi)U”特性的斜率偏移小于±5%為判據(jù)，進行老化篩選，可以獲得穩(wěn)死性滿足實用要求的元件。4.2線化研究經(jīng)加法器輸出的信號，與水流速度之間的關系是非線性的。當流速較小時輸出信號隨流速呈對數(shù)

8、規(guī)律增加；當流速達到一定值后，輸出信號隨流速緩慢增加.這就給測量帶來很多不便。常用的線化網(wǎng)絡.對于熱態(tài)阻值的線化計算相當麻煩.我們借助PN結(jié)特性的非線性，很好地解決了這個問題。圖5示出的線化處理前、后的(v)關系.充分證明了本線化研究的效果。圖5級化處理前、后的輸出時比4.3溫度補償研究水流速度測量用熱敏電阻傳感器的溫度補償，存在兩大特殊困難：其一是水的熱導率高.造成大的熱傳導損失。實驗測出RT在水中的熱導損失，占總損失的85%；其二是水中含有的大量可溶性氣體.易于吸附在處于自熱狀態(tài)時的傳感器測頭表面，形成熱導不良的氣泡。這就限制了借助升高工作電流,降低水溫影響輸出信號漂移的效果。因此，我們采

9、用一對動態(tài)特性一致、處于雙自熱狀態(tài)的熱敏元件，分別安裝在傳感器支捧體的前、后端。前端的熱敏元件（RTD，既感受水流流速、又感受水溫，后端的熱敏元件（RTD、僅感受水溫.它們的信號經(jīng)加法器合成后，成功地克服了上述困難，其補償效果見圖6°5測試結(jié)果與討論5.1Up特性的跟蹤測試試樣經(jīng)過近3個月的Up特性測試，23組標定水槽跟蹤實測值的平均誤差為士3%,其誤差范圍滿足實用要求.經(jīng)分析，產(chǎn)生誤差的主要原因，一是測頭與水流方向的偏差，當測頭偏離水的流向為5。時，將會引起10%的誤差：二是測頭被水垢污染；三是電路自身的漂移.5.2穩(wěn)定性測試鑒于熱敏電阻工作于自熱狀態(tài)，我們將測頭置于靜水中，在20

10、mA的偏置電流下，以U-T特性的漂移率衡量其穩(wěn)定性。試樣經(jīng)4個多月、22次測試，其漂移率機械化生產(chǎn)小型單端NTC熱敏電阻器機械化生產(chǎn)小型單端NTC熱敏電阻器劉原平5甲1（合肥三晶敏感元件有很公司合把230031）1引盲測溫用NTC熱敏電阻器的小型化、高精度、高可靠及其生產(chǎn)過程的自動化、規(guī)?；瘹v來是有關生產(chǎn)廠家和科研機構研究的熱點.小型單端NTC熱敏電阻器以其便于焊接、安裝、體積小而被廣泛應用于空調(diào)遙控器、數(shù)字體溫計以及制作各種封裝形式的感為土5%,達到預期效果。根據(jù)解剖分析，熱敏元件制備工藝過程中產(chǎn)生的缺陷，導致阻體熱匝分布不均勻，是穩(wěn)定性惡化的主要原因。5.3主要參數(shù)測試線化范囹：。70cm

11、/s；靈敏度：N12mVs/ciiu適用溫度范圍：一5+35C;溫度漂移：V1.5mV/'C°6結(jié)論本研究成果，在一535C的范圍內(nèi)，適用于測最。70cm/s的水流速度。進一步改進熱敏元件的成型、燒成和封裝工藝，完善測頭的定向結(jié)構，可以拓寬測量范圍、提高治鼠精度.采用膜式焦敏元件，克服珠式熙敏元件比表面積小的缺點，是擴展測量范圍、提高精度的有效途徑，也是研制多維測量傳感器的方向。杈收稽R期，1997-06-13收稽R期，1997-06-13溫探頭。目前市場上方角引線的小型單端NTC熱敏電阻器多為石求（日本）、飛利浦等國外公司產(chǎn)品。國內(nèi)產(chǎn)品或采用手工焊接，現(xiàn)范性差，效率低；或沿

12、用傳統(tǒng)工藝，電阻片尺寸較大，精度不高。與國外產(chǎn)品尺寸相當?shù)男⌒蛦味薔TC元件的機械化生產(chǎn)工藝國內(nèi)尚未見報道.我們會同有關單位對此進行了一系列研究、開發(fā)工作，在精密方角引線的大批量制作和小尺寸方片（1mmXlmmX0.3mm）的自動化插片方面取得了突破性進展，為大規(guī)模、高效率地生產(chǎn)小型單端NTC熱敏電阻器開辟了一條可行途徑（兩項國內(nèi)首創(chuàng)性成果，已申請國家專利）.2元件結(jié)構熱敏電阻器外形尺寸見圖1、圖2。031焊接用NTC熱敏電阿部外形尺寸這種引線結(jié)構便于安裝于線路板上，無須預處理引線，使焊接制作溫度傳感器的效率大大提高.既可手工烙軼焊，也可機器點焊032安裝用NTC熱敏電阻器外形尺寸3工藝流程與

13、特點生產(chǎn)工藝全過程敞合了超微細粉制備工藝、半導體后加工工藝和圓片電容器的部分改進工藝.由于解決了精密方角引線的大批量制作和小尺寸方片的自動化插片這兩個關鍵性何題，使得小尺寸單端元件的生產(chǎn)可借用圓片電容器的部分生產(chǎn)工藝,如：插片、浸焊、粉末環(huán)氧包封等，大大提高了工效。工藝流程如圖3.|共沉淀制粉|T預燒|T等曾壓酸靈燒結(jié)|T切片|1電根|HaVI方角畝峻制作一|可|理I一TTT切II理I一TTT切II圖3生產(chǎn)工藝疏程該工藝具有如下待點：（1）效率高.由于插片、浸焊、包封等工序均由機械設備完成.使得工效比手工操作至少提高日0倍.（2）可靠性提高.由于浸焊時預熱，焊接的溫度和時間可準確控制，避免了手工烙鐵焊接可能引起的虛焊或過焊。<3）精度高。通過采用先進的制粉工藝和半導體切、劃片工藝，可使材料均勻性和電阻片尺寸的精確度大大提高。（