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    動態效應熱電堆傳感器的研制與實驗研究細節解說
    時間: 2020-04-26 08:05 瀏覽次數:
    抽象 高靈敏度十結熱電堆傳感器,包括20個K型熱電偶,熱電功率為0.040002 mv /°C,在屏障端子上制造,具有厚度為25.4 mm的特定材料的接線片。開發的傳感器可以測量高達0.01°


    抽象
          高靈敏度十結熱電堆傳感器,包括20個K型熱電偶,熱電功率為0.040002 mv /°C,在屏障端子上制造,具有厚度為25.4 mm的特定材料的接線片。開發的傳感器可以測量高達0.01°C的溫差ΔT(°C)。當熱電堆傳感器接頭置于高濕度且相對濕度(RH值)達到100%時,記錄到15.73%的錯誤。濕度的產生是通過Marcet鍋爐蒸汽過程和門閥控制。高溫對熱電堆傳感器的連接沒有顯著影響
    介紹
          在熱力學中,有許多方法可以研究觀察到的熱和電特性。但他們沒有能力提供模型來解釋他們的行為。熱電堆傳感器是上的塞貝克效應[原理工作一系列互連的熱電偶陣列的組合1 ]。塞貝克效應是熱電差動轉換為電壓。
          通常K型熱電偶測量溫度差ΔT(°C)高達0.1°C,這對于高靈敏度系統是不夠的,例如在溫度下降到微觀水平的熱交換器中,因此簡單的熱電偶無法測量該下降和效果高溫和高濕度可能會改變結果。
          熱電堆結構由含有Al和硅的材料制成,能夠測量穿過它的不適當的液體流量。該結構在膜SU8的頂部同樣被加熱。該膜可以根據形成熱電偶結的要求補償大量熱電偶。形成這種組合,在2 mw加熱功率下靈敏度高達40μv/ C [ 2 ]。加熱能力由流動電流控制,并測量加熱器上產生的電壓。當熱梯度發生很大變化時,為了減少這些變化,在薄膜上形成一個小的微芯片通道,距離很短[ 3 ]。
          熱電堆結構由196個串聯互連的鈦/氮化物熱電偶和一個稱為SU-8的膜組成,結構上的體硅具有5.6μv/ C的靈敏度。膜材料本身具有較低的導熱性,因此靈敏度較低。
          靈活安裝的傳感器能夠測量高達46.54μv/ C,自由氮化硅膜厚度為75.56μm[ 4 ]。
          使用稱為光刻的微機械技術安裝膜。結之間的距離非常大,這降低了靈敏度[ 5 ]。
          十個接頭的開發包括二十個K型熱電偶結構,它具有測量溫度差高達0.01°C的輸出效率及其在動態條件下的響應,即高溫和高濕度圖1。


    圖1:顯示具有熱電堆結構和蒸汽發生和加熱過程的實驗裝置,包括用于檢測輸出電壓的濕度計和萬用表。
    傳感器概念
          熱電堆結構的關鍵元件包括端子屏障,帶極性的端子接線片,K型熱電偶。
    整個結構放置在具有不同溫度和濕度條件的鋼箱中。將熱電堆的輸出物放入玻璃管中,玻璃管進一步置于熱水和冷水浴中,以保持0℃的參考溫度和零相對濕度。
          熱電偶由95%的鎳10%的鉻2%的錳和很少的鋁和硅組成。整個熱電堆傳感器的塞貝克系數為0.040002 mv /°C,含有20個K型熱電偶,形成10個接頭[ 6 ]。每個熱電偶覆蓋的絕緣材料由玻璃纖維制成,可承受-30°C至540°C的低溫。
          標準和獨特的接線端子和阻隔帶長9.5“,寬度為25.4 mm,用于支持各種線板和線對線配置 [ 7 ]。各個端子接線片用于補償材料基板/膜。標記的端子接線片可用于特定的設計,并具有根據熱電偶接頭的極性。簡單的玻璃纖維絕緣熱電偶可以使用0.3毫米直徑的導體實現快速響應,可帶或不帶2米長的微型連接器。溫度最高可達+400oC(圖2)。


    圖2:傳感器制造過程的示意圖。(a)木質結構。(b)放置尼龍基末端屏障。(c)沉積具有AL和CH極性的端子接線片。(d)K型熱電偶的串聯組合。(e)熱電堆傳感器連接的絕緣。
    制造技術
          熱電堆傳感器制造工藝基于串聯組合的K型熱電偶的互連[ 8 ]。長度為18mm,寬度為6mm的端子接頭和連接孔的直徑為Φ4mm的特定極性,放置在額定為160oC阻隔端子的尼龍復合體上,并開始用鋁線連接一側并以鉻絲。兩個孔之間的距離平行,每端10.7 mm中心(圖3)。


    圖 3:10結熱電堆結構,包括二十個帶玻璃纖維絕緣的熱電偶。
          固體玻璃纖維絕緣和平放對,直徑0.3毫米,引線長度2000毫米,工作范圍10oC至+400oC,放置在端子接線片上,擰緊螺釘,注意不要將這些電線連接在接線片下面。這種傳感器的優點是它顯示出非?斓臒犴憫。另一個優點是它們可以承受真正的高溫,這取決于電纜絕緣材料。本研究中使用的k型熱電偶的密度為1150000g / m 3,電導率(σ)為10-12S / m,導熱率為0.1025W /(m * C)。
    描述
          因此,制造的熱電堆傳感器首先利用理論值驗證其輸出性能和效率,以在參考結溫0°C下測量高達0.01°C的溫差ΔT(°C)。將熱電堆傳感器的四個輸出中的兩個放置在移液管玻璃管中,進一步置于0℃的冷浴中,另一個置于23℃(環境)溫度的熱浴中。熱電堆傳感器輸出的另外兩個端子用電壓表連接。一個面積為15平方米的鋼結構與Marcet鍋爐連接,通過一個控制閘閥,帶有用于潮濕環境的螺母/螺栓組件和一個用于溫度調節的電加熱器。濕度計安裝在鋼結構的中間,用于溫度和濕度測量,顯示在其外面的面板上。
          最初關閉鋼結構,溫度為23℃,用濕度計記錄濕度為53.7%。暴露的熱電堆傳感器連接到23°C到100°C的可變溫度,并記錄電壓表附加的輸出的任何變化,通過Ali和Briggs公式進一步轉換為溫度。
          讓蒸汽進入鋼結構并將熱電堆接頭暴露在蒸汽中。當水蒸汽撞擊傳感器接頭時,它開始像接頭內的電阻一樣產生誤差(圖4)。


    圖4:熱電堆傳感器的校準,首先用單個熱電偶讀數,第二個用熱電堆讀數。
          上海自動化儀表三廠等人報道了單水平Pin-Fin管上電壓 - 溫度自由對流冷凝的轉換方法[ 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給出的地方,
          Em = Ein +(ΔE - ΔEf)/ 10/2(3)
          ΔE=以10V為單位的10結熱電堆的熱電動勢讀數
          ΔEf=摩擦耗散μV的熱電動勢讀數校正
          Ein =從入口熱電偶讀取的熱電動勢,單位為μV
          靈敏度是一個參數,Z,其表示為α的函數的2 /(RK)。這里,α是已知的熱功率,R是熱電堆的電阻,即所有熱電偶串聯電阻的總和,K是熱電堆/膜系統的熱傳導[ 10 ]。
          Z(S)=α 2 /(R * K)(4)
          α 2 = 0.001521μV /oC
          R =0.061Ω
          K = 2.5 W /(m.C)(20個熱電偶)
          Z(S)= 0.001521 /(0.061 * 2.5)(5)
          Z(S)= 0.001521 /(0.1525)
          Z(S)=0.01049oC(6)
    結果和討論
          通過K型熱電偶的檢測信號的輸出觀察到串聯互連的熱電堆傳感器的響應。熱電堆傳感器的接頭直接暴露在高溫環境中,溫度從低到高連續變化,輸出關系幾乎呈線性曲線,不會顯著影響0.040002 mv /oC的靈敏度,產生0.2%的誤差。在所描繪的圖5。通常,熱電堆傳感器在高溫環境的存在下精確測量輸出。當結處暴露于高濕度時,它代替溫度,它顯示出非常不同的響應。當濕度通過受控閥直接施加到接頭時允許特定量的蒸汽進入鋼結構,熱電偶的輸出顯示出降低的靈敏度。當蒸汽中存在的蒸汽與結相撞時,它會在結點處產生高電阻,從而降低靈敏度。當相對濕度值進一步增加時,傳感器的響應具有顯示非線性曲線的隨機值,如圖6所示。隨著RH值增加至60%至100%,顯示出線性曲線,因為在結上形成層,這進一步阻止了水蒸汽形成圖6中所示的現象。


    圖5:顯示產生線性熱效應的高溫環境的影響。

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