CN100580399C - 一种基于直接测温的平板型导热热流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，所述平板型导热热流传感器包括：测温单元及测量电路，所述的测温单元包括平板、嵌入凸台、两个相同的温度传感器A和温度传感器B。平板的上表面设有两个凹槽，其中一个凹槽连接有通孔。嵌入凸台紧密镶嵌在通孔中；温度传感器B固定在嵌入凸台上方。温度传感器A固定在另一个不连接通孔的凹槽中。所述的测量电路包括，A/D转换器、MCU和恒流源。本发明的测温单元结构简单，只需要两个温度传感器、一个红铜平板和一个尼龙嵌入凸台，制造工艺易于实现。采用24位的AD转换芯片，实现了高精度温度测量。通过两路温度测量，采用温度测量式热流传感器原理，实现了小热流测量。
Description
技术领域
本发明涉及热控制系统中的热流检测技术领域，具体涉及一种基于直接测温的平板型导热热流传感器。
背景技术
热流密度是表征热量传递和交换的一个重要参数，在接触式导热状况下，根据傅里叶导热定律热流密度可以用下面公式表示：
q＝-λ(dt/dx) (1)
其中，q为热流密度，λ为材料的导热系数，(dt/dx)为物体沿x方向的温度梯度即物体在x方向上温度变化率。
在有T和T+ΔT两个等温面时，热流密度可以表示为：
q＝-λ(ΔT/Δx) (2)
其中ΔT为两个等温面之间的温差，Δx为两个等温面之间的距离，其他符号意义同式(1)。
由式(2)可以看出导热式热流传感器的工作原理有以下两种：温差测量和温度测量。目前大部分导热热流传感器都是基于温差测量原理工作，根据热电效应，温差信号转为电信号直接用作传感器信号处理电路的输入，这种传感器具有灵敏度高，却只能反映温差信号，且制造工艺复杂、成本昂贵。另一种是基于温度测量原理工作，这种传感器不仅可以提供温差信号还可以提供温度信息，但这种传感器对温度测量精度要求高，早期的A/D转换技术难以满足热流计算的精度要求。
现有热流传感器的结构多数是基于温差测量(热电效应)原理设计，制作工艺复杂，测量信号单一，也有部分采用热电偶测温，但热电偶测量温度范围宽但精度低，测量热流的分辨率低，在小热流测量中无法应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，采用高精度的A/D转换技术和高精度薄膜式铂电阻温度传感器，并对热流传感器自身结构进行设计，使温度测量式导热热流传感器可以满足对热流和温度信号有双重需求的使用场合，实现了热流和温度测量的集成化测量，采用高精度测量技术，可以实现小热流测量。
本发明是一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，所述平板型导热热流传感器包括：测温单元及测量电路。所述的测温单元包括平板、嵌入凸台、两个相同的温度传感器A和温度传感器B。所述平板的上表面上设有两个凹槽，所述凹槽分别位于上表面不同的两条边上，凹槽的深度小于平板的厚度，并且其中一个凹槽连接有通孔。嵌入凸台涂抹导热硅脂后紧密镶嵌在通孔中，嵌入凸台底部与平板下表面处在同一平面且无缝接触；所述的温度传感器B通过导热硅胶固定在嵌入凸台上方。温度传感器B和嵌入凸台的共同高度小于平板的厚度，温度传感器A通过导热硅胶固定在另一个不连接通孔的凹槽中；所述的凹槽用于放置温度传感器A、B的导线。导线用于连接测量电路的A/D转换器。
所述的平板采用高导热率的红铜作为材料。所述的嵌入凸台采用低导热率尼龙作为材料。所述的温度传感器A、B采用四线制高精度薄膜铂电阻PT1000。
所述的测量电路包括：A/D转换器、MCU和恒流源。温度传感器A、温度传感器B的铂电阻阻值信号在200μA恒流源的作用下转换为两路电压信号，所述的电压信号是温度传感器A和温度传感器B两端的压差信号，由A/D转换器的两个差分输入通道输入，两路电压信号通过A/D转换器的A/D转换通道A、B，参考2.5V基准电压对电压信号进行采样转换，使模拟电压信号转换成数字电压信号，即采样数值，MCU通过发送数据缓冲区对A/D转换通道A、B发送数值读取的控制信号，A/D转换通道A、B接收到MCU的控制信号后，将转换后的采样数值串行发送到MCU的接收数据缓冲区，MCU接收到采样数值后对其进行多次滑动均值数字滤波处理，处理后得到有效数据，有效数据经过温度计算模块后得到温度A和温度B，所述的温度A为红铜平板的温度，温度B为尼龙凸台顶端温度，温度A、温度B经过温差计算和热流计算获取热流密度数值，热流密度数值为本热流传感器的最终结果，由MCU输出，和温度A一起用作显示或者供上位机使用。
所述的A/D转换器为24位高精度A/D转换芯片。
所述的恒流源采用200μA恒流源。
所述的电压基准采用2.5V电压基准。
本发明的优点在于：
(1)测温单元结构简单，只需要两个温度传感器、一个红铜平板和一个尼龙嵌入凸台，制造工艺易于实现；
(2)本发明采用24位高分辨率A/D转换器，配合高精度的薄膜式铂电阻温度传感器PT1000，实现了高精度温度测量；
(3)本发明通过两路温度测量，采用温度测量式热流传感器原理，实现了小热流测量。
附图说明
图1是本发明的测温单元装配前的结构示意图；
图2是本发明的测温单元装配后的结构示意图；
图3是本发明的测量电路的结构示意图。
图中：1-平板；2-嵌入凸台；3-温度传感器A；4-温度传感器B；5-凹槽；6-通孔；7上表面；8-下表面；9-电压基准；10-A/D转换器；11-MCU；12-恒流源。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，如图1、图2、图3所示，包括，测温单元及测量电路，所述的测温单元包括：平板1、嵌入凸台2、两个相同的温度传感器A3和温度传感器B4。所述平板1的上表面7上设有两个凹槽5，所述凹槽5分别位于上表面7不同的两条边上，凹槽5的深度小于平板1的厚度，并且其中一个凹槽5连接有通孔6。嵌入凸台2涂抹导热硅脂后紧密镶嵌在通孔6中，嵌入凸台2底部与平板1下表面8同一平面且无缝接触；所述的温度传感器B4通过导热硅胶固定在嵌入凸台2上方。温度传感器B4和嵌入凸台2的共同高度小于平板1的厚度，温度传感器A3通过导热硅胶固定在另一个不连接通孔6的凹槽5中；所述的凹槽5用于放置温度传感器A3、B4的导线。导线用于连接测量电路的A/D转换器10。
所述的平板1采用高导热率的红铜作为材料，由于热流传感器使用时安装在被测导热物体之间，因此热流传感器要有良好的导热性能，采用红铜作为材料，其热阻小，具有良好的导热性能，能准确测取物体之间的导热热流。
所述的嵌入凸台2采用低导热率尼龙作为材料，红铜的导热性能非常好，因此其两侧温差几乎不可测，要测量热流就需要选择一种低导热率材料嵌入到红铜平板1的通孔6内，尼龙具有很低的导热率且易于加工，由于通孔6占红铜平板1的面积很小，对热流传感器的导热影响可以忽略，同时又可以测取温差计算热流，“凸”型的嵌入凸台2可以消除热量传导的横向效应对热流传感器造成的影响。
所述的温度传感器A3、B4采用四线制高精度薄膜铂电阻PT1000。薄膜传感器体积小易于安装固定，PT1000具有高于PT100十倍的精度，四线制可以消除传感器引线误差，提高温度传感器A3、B4的测量精度。
当热流传感器工作时，下表面8贴紧热源，温度为T0，红铜平板1和尼龙嵌入凸台2具有相同的温度边界条件T0，温度传感器A3的温度为T1，温度传感器B4的温度为T2，因此通过红铜平板1和尼龙嵌入凸台2的导热热流相等，即有
q＝-λcu(T0-T1)/Δxcu (3)
q＝-λnl(T0-T2)/Δxnl (4)
其中，λcu λnl分别表示红铜和尼龙的导热系数，Δxcu Δxnl分别红铜平板1和尼龙嵌入凸台2的厚度。
由于Δxcu≈Δxnl＝Δx根据式(3)、式(4)消去参数T0有：
q＝(T2-T1)/(Δx(1/λcu-1/λnl)) (5)
得到：
q＝-λ(T2-T1)/Δx (6)
其中：1/λ＝1/λcu-1/λnl，原本难以测量的温差T0-T1转换成了易于分辨的温差T2-T1，根据温度T1和T2的数值获取准确热流密度数值。
所述的测量电路包括：A/D转换器10、MCU11(Micro Controller Unit)和恒流源12。如图3所示，温度传感器A3、温度传感器B4的铂电阻阻值信号在200μA恒流源12的作用下转换为两路电压信号，所述的电压信号是温度传感器A3和温度传感器B4两端的压差信号，由A/D转换器10的两个差分输入通道A、B输入到A/D转换器10的A/D转换通道A、B，参考2.5V基准电压9对电压信号进行采样转换，使模拟电压信号转换成数字电压信号，即采样数值，MCU11通过发送数据缓冲区对A/D转换通道A、B发送数值读取的控制信号，A/D转换通道A、B接收到MCU11的控制信号后，将转换后的采样数值串行发送到MCU11的接收数据缓冲区，MCU11接收到采样数值后对其进行滑动均值数字滤波处理，处理后得到有效数据，有效数据经过温度计算模块后得到温度A和温度B，所述的温度A为红铜平板1温度，温度B为尼龙凸台2顶端温度，温度A、温度B经过温差计算和热流计算获取热流密度数值，热流密度数值为本热流传感器的最终结果，由MCU11输出，和温度A一起用作显示或者供上位机使用。
所述的A/D转换器10为24位高精度A/D转换芯片。
所述的200μA恒流源12将温度传感器A3、温度传感器B4产生的电阻信号转换为电压信号，由于温度传感器A3、B4本身是靠材料的热敏效应实现温度测量，为避免自身发热造成误差，必须采用小电流恒流源，本发明所述的200μA恒流源12既可以保证温度信号可测又可以保证温度信号的误差在0.01℃范围内。
由于采用200μA电流恒流源12，所以输入A/D转换器10的电压信号较小，小电压信号的分辨需要高分辨的转换精度，24位精度A/D转换芯片配合2.5V基准电压9，可以保证0.01度的温度精度和0.001度的温差精度，所以本发明采用2.5V电压基准9。
所述的MCU11(Micro Controller Unit，微控制单元)控制A/D转换器10的数据采集，同时对采集的数据进行滤波处理和信号转换，最后向外提供热流传感器表面温度和通过热流传感器的导热热流两路信号。
Claims (8)
1、一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于，该导热热流传感器包括：测温单元及测量电路；
所述的测温单元包括：平板、嵌入凸台、两个相同的温度传感器A和温度传感器B；所述平板的上表面上设有两个凹槽，所述凹槽分别位于上表面不同的两条边上，凹槽的深度小于平板的厚度，并且其中一个凹槽连接有通孔；嵌入凸台涂抹导热硅脂后紧密镶嵌在通孔中，嵌入凸台底部与平板下表面处在同一平面且无缝接触；所述的温度传感器B通过导热硅胶固定在嵌入凸台上方；温度传感器B和嵌入凸台的共同高度小于平板的厚度，温度传感器A通过导热硅胶固定在另一个凹槽中；
所述的测量电路包括：A/D转换器、MCU和恒流源；温度传感器A、温度传感器B的电阻阻值信号在恒流源的作用下转换为两路电压信号，由A/D转换器的差分输入通道A和差分输入通道B分别输入到A/D转换器的A/D转换通道A和A/D转换通道B，参考基准电压对电压信号进行采样转换，使模拟电压信号转换成数字电压信号，即采样数值，MCU通过发送数据缓冲区对A/D转换通道A、A/D转换通道B发送数值读取的控制信号，A/D转换通道A、A/D转换通道B接收到MCU的控制信号后，将转换后的采样数值串行发送到MCU的接收数据缓冲区，MCU接收到采样数值后对其进行滑动均值数字滤波处理，处理后得到有效数据，有效数据经过温度计算模块后得到温度A和温度B，所述的温度A为平板温度，温度B为嵌入凸台顶端温度，温度A、温度B经过温差计算和热流计算获取热流密度数值。
2、根据权利要求1所述的一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于：所述平板采用红铜作为材料。
3、根据权利要求1所述的一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于：所述的凹槽用于放置温度传感器A、B的导线，导线用于连接测量电路的A/D转换器。
4、根据权利要求1所述的一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于：所述嵌入凸台采用尼龙作为材料。
5、根据权利要求1所述的一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于：所述的温度传感器A、温度传感器B采用四线制高精度薄膜铂电阻PT1000。
6、根据权利要求1所述的一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于：所述的A/D转换器为24位高精度A/D转换芯片。
7、根据权利要求1所述的一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于：所述的恒流源为200μA。
8、根据权利要求1所述的一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于：所述的基准电压为2.5V基准电压。
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