雙自熱珠式熱敏元件在水流速測(cè)量中的應(yīng)用.docxVIP

1、雙自熱珠式熱敏元件在水流速測(cè)量中的應(yīng)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(shí)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(yīng)慢、瑯殊JL等媒點(diǎn)，道用于測(cè)量070cm/s的水速。關(guān)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(dòng)部件商大，存在響應(yīng)慢易破壞水流場(chǎng)等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到一定限制.本文采用雙自熱熱敏元件,在傳感測(cè)頭、轉(zhuǎn)換電路、線化電路方面的研究，解決了動(dòng)態(tài)特性的線化和熱損耗的補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題.這一成果，不僅滿足了時(shí)均流速測(cè)量的實(shí)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(dòng)態(tài)特性的新應(yīng)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(jìn)行水流流速測(cè)量研究的系統(tǒng)

4、由圖1所示的9個(gè)部分組成.2.2工作原理傳感器由兩只NTC熱敏電阻構(gòu)成，均由恒流電源饋電。其中.作流速測(cè)量用的熱敏元件（RTD輸出一個(gè)既受流速影響，又受水溫影響的信號(hào)至加法器，作溫度補(bǔ)償用的熱敏元件（RTQ,輸出一個(gè)僅受水溫影響的信號(hào)至補(bǔ)償電路.經(jīng)補(bǔ)償電路處理后也籀至加法器。加法器電路對(duì)兩個(gè)信號(hào)合成后,輔出一個(gè)僅受水流速度影響的被測(cè)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(gè)時(shí)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(gè)瞬時(shí)流信息，它與時(shí)均流速信號(hào)進(jìn)一步合成，即可得到所需的昧沖流速信號(hào).圖2所示為系統(tǒng)各電路測(cè)點(diǎn)的信息波形.牛頓定律

5、是熱敏元件用于水流速度測(cè)量的基礎(chǔ)。本研究借助RARasmussen先生的經(jīng)驗(yàn)公式，提出了更為適用的經(jīng)驗(yàn)公式：(1)式中：v水流速度；A與測(cè)頭結(jié)構(gòu)和介質(zhì)有關(guān)的特性流速I(mǎi)B與NTC的工作電流、熱阻、溫度系數(shù)有關(guān)的靈敏度,U測(cè)頭的輸出電壓；C修正系數(shù).3傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器由測(cè)量元件R)，補(bǔ)償元件RTD、測(cè)桿、支撐體及后蓋等5部分組成.其外形尺寸見(jiàn)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(guò)反復(fù)驗(yàn)證，RT,和RT：的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖4所示.這對(duì)于保證河工模型的水流場(chǎng)，不會(huì)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(gòu)示重此外，

6、為了減少熱損耗，支撐體選用熱導(dǎo)率小的高聚合物制作.為了取得良好的補(bǔ)償效果，我們選用了導(dǎo)黑優(yōu)良耐腐蝕的純銅后蓋。測(cè)桿材料無(wú)嚴(yán)格要求.只要具有足夠的強(qiáng)度即可。圖4弟敏元件結(jié)構(gòu)示意4實(shí)駁4.1熱敏元件基本參數(shù)的選擇冷態(tài)阻值、B值、'熱時(shí)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(gè)基本參數(shù).計(jì)算和試驗(yàn)證明，想態(tài)阻值越大,輸出的信號(hào)越大.但過(guò)大的熱態(tài)阻值給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。B值越高.靈敏度越高。但過(guò)高的B值，靈敏度的衰減太快。為擴(kuò)展流速測(cè)量范圍,應(yīng)選擇B值較低的熱敏元件。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，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(xiàng)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(cè)量用的熱敏元件，時(shí)間常數(shù)越小越好，由于工藝條件限制，本項(xiàng)目選用的熱敏元件，在水中的熱時(shí)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(hào)，我們選擇的工作電流為2030mA,與此對(duì)應(yīng)的熱態(tài)阻值大于50Q.該元件的穩(wěn)定性，通過(guò)工藝質(zhì)控和電老化篩選保證。實(shí)踐證明，以40mA、100h為應(yīng)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(jìn)行老化篩選，可以獲得穩(wěn)死性滿足實(shí)用要求的元件。4.2線化研究經(jīng)加法器輸出的信號(hào)，與水流速度之間的關(guān)系是非線性的。當(dāng)流速較小時(shí)輸出信號(hào)隨流速呈對(duì)數(shù)

8、規(guī)律增加；當(dāng)流速達(dá)到一定值后，輸出信號(hào)隨流速緩慢增加.這就給測(cè)量帶來(lái)很多不便。常用的線化網(wǎng)絡(luò).對(duì)于熱態(tài)阻值的線化計(jì)算相當(dāng)麻煩.我們借助PN結(jié)特性的非線性，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。圖5示出的線化處理前、后的(v)關(guān)系.充分證明了本線化研究的效果。圖5級(jí)化處理前、后的輸出時(shí)比4.3溫度補(bǔ)償研究水流速度測(cè)量用熱敏電阻傳感器的溫度補(bǔ)償，存在兩大特殊困難：其一是水的熱導(dǎo)率高.造成大的熱傳導(dǎo)損失。實(shí)驗(yàn)測(cè)出RT在水中的熱導(dǎo)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(shí)的傳感器測(cè)頭表面，形成熱導(dǎo)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(hào)漂移的效果。因此，我們采

9、用一對(duì)動(dòng)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(hào)經(jīng)加法器合成后，成功地克服了上述困難，其補(bǔ)償效果見(jiàn)圖6°5測(cè)試結(jié)果與討論5.1Up特性的跟蹤測(cè)試試樣經(jīng)過(guò)近3個(gè)月的Up特性測(cè)試，23組標(biāo)定水槽跟蹤實(shí)測(cè)值的平均誤差為士3%,其誤差范圍滿足實(shí)用要求.經(jīng)分析，產(chǎn)生誤差的主要原因，一是測(cè)頭與水流方向的偏差，當(dāng)測(cè)頭偏離水的流向?yàn)?。時(shí)，將會(huì)引起10%的誤差：二是測(cè)頭被水垢污染；三是電路自身的漂移.5.2穩(wěn)定性測(cè)試鑒于熱敏電阻工作于自熱狀態(tài)，我們將測(cè)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(gè)多月、22次測(cè)試，其漂移率機(jī)械化生產(chǎn)小型單端NTC熱敏電阻器機(jī)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(cè)溫用NTC熱敏電阻器的小型化、高精度、高可靠及其生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、規(guī)?；瘹v來(lái)是有關(guān)生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn).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(yīng)用于空調(diào)遙控器、數(shù)字體溫計(jì)以及制作各種封裝形式的感為土5%,達(dá)到預(yù)期效果。根據(jù)解剖分析，熱敏元件制備工藝過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，導(dǎo)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(cè)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(cè)最。70cm/s的水流速度。進(jìn)一步改進(jìn)熱敏元件的成型、燒成和封裝工藝，完善測(cè)頭的定向結(jié)構(gòu)，可以拓寬測(cè)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(diǎn)，是擴(kuò)展測(cè)量范圍、提高精度的有效途徑，也是研制多維測(cè)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(chǎng)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(guó)外公司產(chǎn)品。國(guó)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(guó)外產(chǎn)品尺寸相當(dāng)?shù)男⌒蛦味薔TC元件的機(jī)械化生產(chǎn)工藝國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道.我們會(huì)同有關(guān)單位對(duì)此進(jìn)行了一系列研究、開(kāi)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(dòng)化插片方面取得了突破性進(jìn)展，為大規(guī)模、高效率地生產(chǎn)小型單端NTC熱敏電阻器開(kāi)辟了一條可行途徑（兩項(xiàng)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)性成果，已申請(qǐng)國(guó)家專利）.2元件結(jié)構(gòu)熱敏電阻器外形尺寸見(jiàn)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(gòu)便于安裝于線路板上，無(wú)須預(yù)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(jī)器點(diǎn)焊032安裝用NTC熱敏電阻器外形尺寸3工藝流程與

13、特點(diǎn)生產(chǎn)工藝全過(guò)程敞合了超微細(xì)粉制備工藝、半導(dǎo)體后加工工藝和圓片電容器的部分改進(jìn)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(dòng)化插片這兩個(gè)關(guān)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(yù)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(diǎn)：（1）效率高.由于插片、浸焊、包封等工序均由機(jī)械設(shè)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(shí)預(yù)熱，焊接的溫度和時(shí)間可準(zhǔn)確控制，避免了手工烙鐵焊接可能引起的虛焊或過(guò)焊。<3）精度高。通過(guò)采用先進(jìn)的制粉工藝和半導(dǎo)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。（