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作者:田 丰 李 威 李高鹏摘要:介绍了一种热电偶式风速传感器的测量原理,推导了风速-电压转换的关系,并对影响风速传感器测量精度等因素进行分析,对该传感器进行优化,从而更好地得到热电偶式风速传感器的检测特性。关键词:风速;热电偶;非线性;对流换热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测量,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[1]。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为加热铂金丝,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的加热电流,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。在测量风速时,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。因此通过热电势的测量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热丝产生的热量。根据热传导对流换热原理,当空气掠过加热丝时,由于粘性力的作用在气体加热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,因此加热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。初始由于加热丝发出的热量Ｑ与向周围环境散出的热量Ｑ′相等,加热丝表面温度Ｔｗ处于平衡状态(无风),当有风吹过时,加热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为沿加热丝表面风速)。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[3],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热丝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,通过实验测量,该风速传感器输出电势与风速具有一定的线性关系。如需获得很高的测量精度,可以通过硬件电路补偿和软件进行非线性校正。3 影响风速传感器测量精度因素的分析(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热丝,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热元件的温度,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)加热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热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为加热丝热阻,将传感器放入低温中,加热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)为加热丝的初始温度,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与加热丝的体积有关,体积大,Ｒｔ小;体积小,Ｒｔ大,综合考虑Ｒｔ以(3)影响输出灵敏度的因素由式(4)可以看出,增加通过加热丝的电流Ｉ,能够提高输出灵敏度,同时提高了加热丝表面温度,减小环境温度的影响,但由于铂金加热丝的温度效应,表面温度过高,会导致其阻值增大,影响输出精确度。通过改变加热丝的结构,增加其长度Ｌｓ,减小加热丝的面积,使加热丝阻值增大,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端的热电偶测量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热,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,热电偶测量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,热电偶测量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。用热电偶测量温度时,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,加热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。4 结语通过对该风速传感器的设计与理论分析,可以推导出风速与检测电路输出电压之间的关系,并对影响其测量精度的因素进行分析。环境温度的变化会导致传感器输出的偏大或偏小,从而直接影响传感器输出的灵敏度,因此应使传感器工作在恒定环境温度下。加热丝的结构不仅影响其灵敏度,而且制约其动态响应速度,减小加热丝的面积ｓ,能够增大加热丝的阻值,从而提高了灵敏度,但同时降低了响应速度,因此需要合适配置结构尺寸,既能保证灵敏度,又有很高的响应速度。加热丝材料的温度特性也不可忽略,降低温度系数α能够提高传感器的灵敏度,但其对温度敏感性不强。因此综合考虑诸因素能够优化该风速传感器,使其更具有实用性。参考文献:[1]王涛.矿井安全监测原理与应用[Ｍ].徐州:中国矿业大学出版社,1996.[2]周筠清.传热学[Ｍ].北京:冶金工业出版社,1992.[3]刘迎春,叶湘宾.传感器原理、设计与应用[Ｍ].长沙:国防科技大学,1998.
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