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动态效应热电堆传感器的研制与实验研究细节讲解

来源:发表时间:2019-06-20


抽象
      高灵敏度十结热电堆传感器,包括20个K型热电偶,热电功率为0.040002 mv /°C,在屏障端子上制造,具有厚度为25.4 mm的特定材料的接线片。开发的传感器可以测量高达0.01°C的温差ΔT(°C)。当热电堆传感器接头置于高湿度且相对湿度(RH值)达到100%时,记录到15.73%的错误。湿度的产生是通过Marcet锅炉蒸汽过程和门阀控制。高温对热电堆传感器的连接没有显着影响
先容
      在热力学中,有许多方法可以研究观察到的热和电特性。但他们没有能力提供模型来说明他们的行为。热电堆传感器是上的塞贝克效应[原理工作一系列互连的热电偶阵列的组合1 ]。塞贝克效应是热电差动转换为电压。
      通常K型热电偶测量温度差ΔT(°C)高达0.1°C,这对于高灵敏度系统是不够的,例如在温度下降到微观水平的热交换器中,因此简单的热电偶无法测量该下降和效果高温和高湿度可能会改变结果。
      热电堆结构由含有Al和硅的材料制成,能够测量穿过它的不适当的液体流量。该结构在膜SU8的顶部同样被加热。该膜可以根据形成热电偶结的要求补偿大量热电偶。形成这种组合,在2 mw加热功率下灵敏度高达40μv/ C [ 2 ]。加热能力由流动电流控制,并测量加热器上产生的电压。当热梯度发生很大变化时,为了减少这些变化,在薄膜上形成一个小的微芯片通道,距离很短[ 3 ]。
      热电堆结构由196个串联互连的钛/氮化物热电偶和一个称为SU-8的膜组成,结构上的体硅具有5.6μv/ C的灵敏度。膜材料本身具有较低的导热性,因此灵敏度较低。
      灵活安装的传感器能够测量高达46.54μv/ C,自由氮化硅膜厚度为75.56μm[ 4 ]。
      使用称为光刻的微机械技术安装膜。结之间的距离非常大,这降低了灵敏度[ 5 ]。
      十个接头的开发包括二十个K型热电偶结构,它具有测量温度差高达0.01°C的输出效率及其在动态条件下的响应,即高温和高湿度图1。


图1:显示具有热电堆结构和蒸汽发生和加热过程的实验装置,包括用于检测输出电压的湿度计和万用表。
传感器概念
      热电堆结构的关键元件包括端子屏障,带极性的端子接线片,K型热电偶。
整个结构放置在具有不同温度和湿度条件的钢箱中。将热电堆的输出物放入玻璃管中,玻璃管进一步置于热水和冷水浴中,以保持0℃的参考温度和零相对湿度。
      热电偶由95%的镍10%的铬2%的锰和很少的铝和硅组成。整个热电堆传感器的塞贝克系数为0.040002 mv /°C,含有20个K型热电偶,形成10个接头[ 6 ]。每个热电偶覆盖的绝缘材料由玻璃纤维制成,可承受-30°C至540°C的低温。
      标准和独特的接线端子和阻隔带长9.5“,宽度为25.4 mm,用于支撑各种线板和线对线配置 [ 7 ]。各个端子接线片用于补偿材料基板/膜。标记的端子接线片可用于特定的设计,并具有根据热电偶接头的极性。简单的玻璃纤维绝缘热电偶可以使用0.3毫米直径的导体实现快速响应,可带或不带2米长的微型连接器。温度最高可达+400oC(图2)。


图2:传感器制造过程的示意图。(a)木质结构。(b)放置尼龙基末端屏障。(c)沉积具有AL和CH极性的端子接线片。(d)K型热电偶的串联组合。(e)热电堆传感器连接的绝缘。
制造技术
      热电堆传感器制造工艺基于串联组合的K型热电偶的互连[ 8 ]。长度为18mm,宽度为6mm的端子接头和连接孔的直径为Φ4mm的特定极性,放置在额定为160oC阻隔端子的尼龙复合体上,并开始用铝线连接一侧并以铬丝。两个孔之间的距离平行,每端10.7 mm中心(图3)。


图 3:10结热电堆结构,包括二十个带玻璃纤维绝缘的热电偶。
      固体玻璃纤维绝缘和平放对,直径0.3毫米,引线长度2000毫米,工作范围10oC至+400oC,放置在端子接线片上,拧紧螺钉,注意不要将这些电线连接在接线片下面。这种传感器的优点是它显示出非常快的热响应。另一个优点是它们可以承受真正的高温,这取决于电缆绝缘材料。本研究中使用的k型热电偶的密度为1150000g / m 3,电导率(σ)为10-12S / m,导热率为0.1025W /(m * C)。
描述
      因此,制造的热电堆传感器首先利用理论值验证其输出性能和效率,以在参考结温0°C下测量高达0.01°C的温差ΔT(°C)。将热电堆传感器的四个输出中的两个放置在移液管玻璃管中,进一步置于0℃的冷浴中,另一个置于23℃(环境)温度的热浴中。热电堆传感器输出的另外两个端子用电压表连接。一个面积为15平方米的钢结构与Marcet锅炉连接,通过一个控制闸阀,带有用于潮湿环境的螺母/螺栓组件和一个用于温度调节的电加热器。湿度计安装在钢结构的中间,用于温度和湿度测量,显示在其外面的面板上。
      最初关闭钢结构,温度为23℃,用湿度计记录湿度为53.7%。暴露的热电堆传感器连接到23°C到100°C的可变温度,并记录电压表附加的输出的任何变化,通过Ali和Briggs公式进一步转换为温度。
      让蒸汽进入钢结构并将热电堆接头暴露在蒸汽中。当水蒸汽撞击传感器接头时,它开始像接头内的电阻一样产生误差(图4)。


图4:热电堆传感器的校准,首先用单个热电偶读数,第二个用热电堆读数。
      澳门新葡亰手机版自动化仪表三厂等人报道了单水平Pin-Fin管上电压 - 温度自由对流冷凝的转换方法[ 9 ]。
ΔT ? =(ΔEΔE- ?F)/ 10 *(DT / DE)E = EM(1)
      (dT / dE)E = Em = 0.0255-0.4580 * 10 -6 * 2Em + 0.2961 * 10 -10 * 3Em 2 + 0.6849 * 10 -14       * 4Em3 - 0.6208 * 10 -18 * 5Em 4(2)
Em给出的地方,
      Em = Ein +(ΔE - ΔEf)/ 10/2(3)
      ΔE=以10V为单位的10结热电堆的热电动势读数
      ΔEf=摩擦耗散μV的热电动势读数校正
      Ein =从入口热电偶读取的热电动势,单位为μV
      灵敏度是一个参数,Z,其表示为α的函数的2 /(RK)。这里,α是已知的热功率,R是热电堆的电阻,即所有热电偶串联电阻的总和,K是热电堆/膜系统的热传导[ 10 ]。
      Z(S)=α 2 /(R * K)(4)
      α 2 = 0.001521μV /oC
      R =0.061Ω
      K = 2.5 W /(m.C)(20个热电偶)
      Z(S)= 0.001521 /(0.061 * 2.5)(5)
      Z(S)= 0.001521 /(0.1525)
      Z(S)=0.01049oC(6)
结果和讨论
      通过K型热电偶的检测信号的输出观察到串联互连的热电堆传感器的响应。热电堆传感器的接头直接暴露在高温环境中,温度从低到高连续变化,输出关系几乎呈线性曲线,不会显着影响0.040002 mv /oC的灵敏度,产生0.2%的误差。在所描绘的图5。通常,热电堆传感器在高温环境的存在下精确测量输出。当结处暴露于高湿度时,它代替温度,它显示出非常不同的响应。当湿度通过受控阀直接施加到接头时允许特定量的蒸汽进入钢结构,热电偶的输出显示出降低的灵敏度。当蒸汽中存在的蒸汽与结相撞时,它会在结点处产生高电阻,从而降低灵敏度。当相对湿度值进一步增加时,传感器的响应具有显示非线性曲线的随机值,如图6所示。随着RH值增加至60%至100%,显示出线性曲线,因为在结上形成层,这进一步阻止了水蒸汽形成图6中所示的现象。


图5:显示产生线性热效应的高温环境的影响。


图6:施加湿度对热电堆传感器(i)在20%至60%湿度下的结点的影响非线性。
结论
      测量了不同的环境和模块参数,分析了这些参数对热电堆结构输出的影响。
      1. 10结热电堆(K型热电偶)结构能够测量高达0.01°C的温差,相对于单K型热电偶,可以测量高达0.1°C的温差。
      2.当在高温下隔离结时,热电堆结构的输出没有显着变化。
      3.当接合处暴露于高温时,记录的输出变化接近0.2%。
      当热电堆接合处暴露于高湿度环境时,即当RH为100%时,相对于环境条件记录的误差为15.73%。

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