CN106556469B - 一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器，包括导线、填充材料、若干个负温度系数热敏电阻、空心管载体，所述的若干个负温度系数热敏电阻以一定间隔依次固定在聚碳酸脂材料制成的空心管载体上，构成温度链传感器的核心部件；固定后的每一个负温度系数热敏电阻分别通过导线连接至空心管载体外，并以半桥形式接入外电路，测量待测物体的温度；采用硅胶黏合剂填充空心管载体内部空隙。本发明主要应用于海冰、极区、高原及低温实验室等寒冷环境，能够测量冰体内部的温度梯度分布；且能够提供十分显著的电阻变化，且能够脱离信号放大器等设备，成本较底适合大规模使用。

Description

一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器
技术领域
本发明提供一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器,该温度链传感器主要应用于海冰、极区、高原及低温实验室等寒冷环境,针对上述高湿低温环境开发，但在该温度范围内的其他相似环境下均可使用且达到较为理想的效果。
背景技术
热敏电阻在热力学相关测量，例如海冰、冻土等材料的温度测量中有广阔的应用前景。其基本原理是电阻的阻值与温度呈一定的关系，使用过程中通过直接测量电阻来反算温度，从而实现数值化测量温度。而目前国际上的传感器厂商并不能提供测量温度梯度的传感器，特别是当测量密度缩小至毫米级。
目前国际上较为广泛应用的低温传感器中主要包括热电偶、电阻温度计与热敏电阻。热电偶的有效测量范围一般为-200摄氏度至100摄氏度，由于测量范围较大，在本领域需求范围-50摄氏度至0摄氏度内的精度较底，同时热电偶的工作原理是测量温度变化过程中所产生的电势差，当待测物为冰或冻土材料时由于水分的融化，测量体时存在着短路的风险，因此并不适合本技术领域。电阻温度计能够在本领域提供较高精度，但其多以银为原材料成本较高且材料本身较脆易发生破损并不适合大规模使用，同时其电阻对温度的敏感性较底，测量时需要将电阻桥接使用，因此单个探头的体积较大。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器，该温度链传感器主要应用于海冰、极区、高原及低温实验室等寒冷环境，能够测量冰体内部的温度梯度分布。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器，包括导线(1)、填充材料(2)、若干个负温度系数热敏电阻(3)、空心管载体(4)。
所述的若干个负温度系数热敏电阻(3)以一定间隔依次固定在聚碳酸脂材料制成的空心管载体(4)上，构成温度链传感器的核心部件；固定后的每一个负温度系数热敏电阻(3)分别通过导线(1)连接至空心管载体(4)外，并以半桥形式接入外电路，测量待测物体的温度；采用硅胶黏合剂填充空心管载体(4)内部空隙。所述的负温度系数热敏电阻个数根据实际情况确定。
所述的负温度系数热敏电阻(3)采用半导体材料制作。所述的空心管载体(4)与封装空心管载体(4)所用填充材料的热阻较高，二者的导热系数低于待测物体10倍以上；所述的空心管载体(4)为聚碳酸脂，其导热系数约为0.02[W/mK]；所述的填充材料(2)为硅胶黏合剂，其热传导系数约为0.1[W/mK]；空心管载体(4)和填充材料(2)的导热系数均低于冰的导热系数2.2[W/mK]十倍以上。除本发明所选材料外，其他满足导热系数需求的材料亦可使用。
所述的负温度系数热敏电阻本身成本较底且力学性质很好，适合大规模和现场试验条件的使用，最主要的是材料在一定温度范围内(通常为-80至30摄氏度)电阻随温度升高呈指数递减变化。因此在该温度范围内具有较高精度，十分适合该区间内的温度测量，在该温度范围能够提供十分显著的电阻变化，能够在不使用信号放大器等设备下直接接入电路对待测物体进行温度测量。所述的温度与负温度系数热敏电阻3之间满足公式(1)关系：
其中T为测量温度，T0为标定温度，R为测量电阻值，R0为标定电阻值，β是与材料属性相关的系数。
本发明除传感器选材外，还考虑了封装固定过程中的热传递问题。温度链传感器的核心功能是测量待测空间内在固定方向(轴向)上每个传感器所处平行平面内的温度信息。因此该传感器在工作过程中的一个技术要点是阻止热量通过传感器沿轴向传递，从而导致因设备引起的误差。为实现该目的，最有效的办法是固定传感器的空心管与封装空心管所用填充材料应选取热阻较高的材料，导热系数要低于待测装置10倍以上。除本发明所选材料外，其他满足导热系数需求的材料亦可使用。
本发明的有益效果为：本发明中负温度系数热敏电阻能够提供十分显著的电阻变化，且能够脱离信号放大器等设备，成本较底适合大规模使用。
附图说明
图1本发明基于负温度系数热敏电阻温度链传感器结构示意图。
图2负温度系数热敏电阻的阻值随温度变化曲线。
图3本发明负温度系数热敏电阻温度链传感器测试冰内温度梯度的结果图。
图中：1导线；2填充材料；3负温度系数热敏电阻；4空心管载体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
首选选择一定数量的负温度系数热敏电阻2，本发明所选取数量为十个，使用人可根据具体需求自行选择。在空心管载体4上按照一定的间距进行物理切削方式钻取一定空隙，用以固定负温度系数热敏电阻2。负温度系数热敏电阻2放置后，用硅胶黏合剂封装空心管以达到防水目的。
在公式(1)的关系下，电阻随温度变化如图2所示。
图3为温度链传感器实测应用中的测量结果。图中横坐标为温度，单位为摄氏度，纵坐标为待测物厚度，本试验待测物为海冰。图例中为一块冰从低温环境移动到高温环境后体内温度场变化过程。图中每条曲线对应一个时刻海冰内部的温度梯度分布。试验开始阶段(第一分钟)海冰上表面的温度为-32摄氏度，下表面约为0摄氏度，随着试验的进行下表面的温度基本保持稳定而冰内部的温度逐渐升高，当试验结束时(2000分钟),冰的内部温度分布基本均匀且接近0摄氏度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器，其特征在于，所述的温度链传感器应用于海冰、极区、高原及低温实验室寒冷环境，能够测量冰体内部的温度梯度分布；所述的温度链传感器包括导线(1)、填充材料(2)、若干个负温度系数热敏电阻(3)、空心管载体(4)；所述的若干个负温度系数热敏电阻(3)以一定间隔依次固定在空心管载体(4)上，构成温度链传感器的核心部件；固定后的每一个负温度系数热敏电阻(3)分别通过导线(1)连接至空心管载体(4)外，并以半桥形式接入外电路，测量待测物体的温度；采用填充材料(2)填充空心管载体(4)内部空隙；所述的负温度系数热敏电阻个数根据实际情况确定；所述的空心管载体(4)与封装空心管载体(4)所用填充材料(2)的导热系数低于冰10倍以上；
所述的空心管载体(4)采用聚碳酸脂材料制作；所述的填充材料(2)为硅胶黏合剂。
2.根据权利要求1所述的一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器，其特征在于，所述的负温度系数热敏电阻(3)采用半导体材料制作。
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