CN106840438A - 一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，包括热电偶和冷端温度补偿模块；热电偶包括设有热电偶冷端微流道的基底；冷端微流道采用针翅式微流道结构；冷端温度补偿模块包括补偿导线、第一放大器、第二放大器、冷端温度传感器、微控制器和显示模块；微控制器对来自热电偶的电压和冷端温度传感器所输入的电压进行综合处理，转换成温度信号通过显示模块实时显示所测温度。本发明将微流道应用于热电偶基底的冷端部位上并与冷端温度补偿模块相结合，解决了补偿导线与钨铼薄膜热电偶连线的高温失效问题，对热电偶的冷端温度进行补偿，提高了所测温度信号的精度和可靠性，实现精确可靠的高温测量。

Description

一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构
技术领域
本发明属于微型温度传感器芯片技术领域，具体涉及一种钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构。
背景技术
热电偶是计量技术中最常用的温度传感器，它的应用在生产技术和测量科学上曾引起划时代的变革。尤其是在高温测量领域，如航空发动机的涡轮前温度和涡轮叶片温度测量，薄膜热电偶表现出优良的性能，具有热容量小、热电响应迅速、对部件周围环境扰动微弱、抗剥离和热冲击等优点。而薄膜热电偶的补偿导线与薄膜正负极之间的连接是薄膜热电偶研制过程中的重要环节，具体可采用焊接或耐高温导电胶的方法来连接。但在超高温环境测量中如1200℃以上，补偿导线的连接很容易失效，如何降低薄膜热电偶冷端温度，保证补偿导线与热电偶正负极的可靠连接是亟待解决的问题。
热电偶是一种典型的热电型温度传感器，它可以将温度信号转换成电势(mV)信号，之后通过可以测量电势信号的仪器仪表或转换器，进而显示所测温度。薄膜热电偶的测温机理与普通铠装(或丝式)热电偶相似，都是基于热电效应(也称塞贝克效应)原理工作的。即两种材料不同的金属或合金A和B组成闭合回路，当A和B相互接触的两处温度不同时，在整个回路中就会产生一定大小的电动势EAB，被称为热电势。热电势EAB的大小仅与两端的温度有关，如果设法将薄膜热电偶的冷端温度固定，理论上定为0℃，热电势就是被测温度的单值函数。在应用时，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，并不是热电偶分度表的标定基准0℃，其不确定性给热电偶的测量带来很大误差。
因此针对高温测量，急需一种可靠有效的薄膜热电偶冷端补偿结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，将具有高效散热作用的微流道与冷端温度补偿模块相结合，以解决现有技术中高温测量时热电偶的补偿导线连接失效问题和热电偶冷端温度的不确定性给测量带来的误差问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，包括热电偶和冷端温度补偿模块；热电偶包括设有热电偶冷端微流道的基底，热电偶冷端微流道位于基底的冷端上；冷端微流道采用针翅式微流道结构，且针翅的大小及密集程度不相同，越靠近基底的冷端边缘，针翅的大小越小且越密集；冷端温度补偿模块包括补偿导线、第一放大器、第二放大器、冷端温度传感器、微控制器和显示模块；补偿导线的一端连接热电偶冷端的合金薄膜正负两极，进而输出热电偶因冷热端温度不同而产生的电压，该电压经第一放大器放大后输入微控制器，冷端温度传感器用于采集环境温度，对热电偶的冷端进行温度补偿，其采集的温度以电压的形式通过第二放大器放大后输入微控制器，微控制器对来自热电偶的电压和冷端温度传感器所输入的电压进行综合处理，转换成温度信号通过显示模块实时显示所测温度。
进一步的，热电偶为钨铼薄膜热电偶，基底为碳化硅陶瓷基底。
进一步的，针翅之间的区域形成微通道；在微流道的左右两端，靠近冷端边缘，分别设有注入口和流出口，冷却工质由注入口进入，在微通道内流动，最终在流出口处流出；冷却工质为固体或者液体
进一步的，热电偶的完整基底由两个带微流道的半个基底以微流道面对接形式组成。
进一步的，所述合金薄膜为钨铼薄膜；补偿导线的材料与钨铼薄膜正负极材料相同。
进一步的，冷端温度传感器的位置紧靠近热电偶的冷端。
进一步的，所述放大器的型号为OPA211，冷端温度传感器的型号为TMP112，微控制器的型号为MSP430g2553，显示模块为12864液晶显示屏。
进一步的，微控制器对来自热电偶的电压E(T,T0)和冷端温度传感器所输入的电压E(T0,0)相加，获得热电偶热端温度所对应的电动势E(T,0)；将电动势E(T,0)转换成温度信号通过显示模块实时显示所测温度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，实现了将高散热的微流道与冷端温度补偿模块相结合，有效提高热电偶冷端的散热效率，解决热电偶补偿导线在高温下的连接失效问题，实现了热电偶的冷端温度补偿，提高了热电偶所测温度信号的精度和可靠性，保证了钨铼薄膜热电偶的高温测量准确性。另外由本发明提出的将微流道应用于热电偶基底上，不局限于针翅式结构，可根据具体工况及测试需求采用多种结构和形式。
本发明中，将冷端微流道制作在钨铼薄膜热电偶基底的冷端部位上，用于降低钨铼薄膜热电偶冷端温度，解决钨铼薄膜热电偶补偿导线在高温下连接失效的问题，提高钨铼薄膜热电偶的测量使用温度；冷端温度补偿模块包括补偿导线，放大器，冷端温度传感器，微控制器和显示模块。补偿导线用于连接位于热电偶冷端的钨铼薄膜的正负两极，进而输出钨铼薄膜热电偶因冷热端温度不同而产生的电压，即热电偶直接输出的电压，该电压经放大器放大后输入微控制器，冷端温度传感器用于采集环境温度，对钨铼薄膜热电偶的冷端进行温度补偿，其采集的温度也将以电压的形式输入微控制器，微控制器对来自钨铼薄膜热电偶的电压和冷端温度传感器所输入的电压进行综合处理，转换成温度信号通过显示模块实时显示钨铼薄膜热电偶所测温度。
所述冷端温度补偿模块中的补偿导线由一对与钨铼薄膜热电偶正负极材料相同的导线组成，通过高温导电胶，在钨铼薄膜热电偶的冷端，将正极补偿导线与钨铼薄膜热电偶的正极相连，负极补偿导线与钨铼薄膜热电偶的负极相连。
所述冷端温度补偿模块中的放大器为OPA211，是一款精密运算放大器，具有将超低噪声、低功耗、小封装尺寸以及高带宽等多种特性相结合的优点。OPA211的作用是放大通过补偿导线输出的因钨铼薄膜热电偶冷热端温度不同所产生的电压，并将所放大电压输入微处理器中。
所述冷端温度补偿模块中的温度传感器为TMP112，是一款采用一个微型小外形尺寸晶体管封装的两线制、串行输出温度传感器。无需外部组件，TMP112温度读取分辨率能够达到0.0625℃。其作用是采集环境温度，并以电压的形式输入微处理器中。
所述冷端温度补偿模块中的微处理器选用MSP430g2553，是一款超低功耗微控制器。其作用是对来自钨铼薄膜热电偶的电压和冷端温度传感器所输入的电压进行综合处理，实现钨铼薄膜热电偶的冷端温度补偿。
所述冷端温度补偿模块中的显示模块为12864液晶显示屏，具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点。其作用是在微控制器的控制下实时显示钨铼薄膜热电偶所测温度。
附图说明
图1为本发明带冷端微流道的1/2基底俯视图；
图2为本发明带冷端微流道的热电偶基底的完整示意图；
图3为本发明冷端温度补偿模块框图；
图中：1-基底，2-微通道，3-针翅，4-注入口，5-流出口，6-完整基底，10-钨铼薄膜热电偶，20-冷端温度补偿模块，21-补偿导线，22-放大器，23-冷端传感器，24-微处理器，25-显示模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
请参阅图1至图3所示，本发明一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，包括钨铼薄膜热电偶10和冷端温度补偿模块20。
钨铼薄膜热电偶10包括设有热电偶冷端微流道的基底1，热电偶冷端微流道位于基底1的冷端上，微流道为单层针翅式微流道结构，包括若干针翅3，针翅3的大小及密集程度不相同，越靠近冷端边缘，针翅3的大小越小且越密集，目的是有效增加流道进出口流线区域的流阻，迫使冷端边缘区域的低温工质向远离边缘方向移动，提高微流道散热的均匀性。针翅3之间的区域形成微通道2；在微流道的左右两端，靠近冷端边缘，分别设有注入口4和流出口5，冷却工质由注入口4进入，在微通道2内流动，最终在流出口5处流出，所述冷却工质为固体或者液体。基底1上设有钨铼薄膜(未图示)，钨铼薄膜上设有一层封装层(未图示)，形成钨铼薄膜热电偶10。
如图1、图2所示，微流道是制作在基底1的冷端部位上，基底1是热电偶完整基底6的一半，即两个完全一样的基底1都以微流道面为连接面，通过焊接的方式，结合成完整的热电偶基底6。
作为一种具体实施，微流道结构通过软刻蚀或粉末微注射成形技术制作完成。
作为一种具体实施，热电偶是钨铼薄膜热电偶10。
作为一种具体实施，基底1材料为碳化硅陶瓷基底。
如图3所示，冷端温度补偿模块20由补偿导线21、放大器22、冷端温度传感器23、微控制器24和显示模块25组成。补偿导线21用于连接位于钨铼薄膜热电偶10冷端的钨铼薄膜正负两极，进而输出钨铼薄膜热电偶10因冷热端温度不同而产生的电压，即热电偶直接输出的电压，该电压经放大器22放大后输入微控制器24，冷端温度传感器23用于采集环境温度，对钨铼薄膜热电偶10的冷端进行温度补偿，其采集的温度也将以电压的形式输入微控制器24，微控制器24对来自钨铼薄膜热电偶10的电压和冷端温度传感器23所输入的电压进行综合处理，转换成温度信号通过显示模块25实时显示所测温度。
作为一种具体实施，冷端温度补偿模块中的补偿导线21由一对与钨铼薄膜热电偶正负极材料相同的导线组成，通过高温导电胶，在热电偶冷端，将正极补偿导线与钨铼薄膜热电偶的正极相连，负极补偿导线与钨铼薄膜热电偶的负极相连。正负补偿导线的另一端分别与放大器22的信号输入端相连接。
作为一种具体实施，冷端温度补偿模块中放大器22为OPA211，冷端温度传感器23为TMP112，微处理器24为MSP430g2553，显示模块25为12864液晶显示屏。各模块之间的具体连接方式如下：热电偶的一对正负极补偿导线21分别与放大器22的输入端口3、输入端口2连接，而放大器22的输出端口6与微控制器24的输入端口P1.0-P1.6中的一个进行连接即可，这样热电偶输出的电压经过放大后就输入到微控制器24中，冷端温度传感器23的端口1和端口6与微控制器24的输入端口P1.0-P1.6中的任意两个未用端口进行连接，将冷端温度传感器所测电压输入微控制器24。在微控制器24中，通过编程对所接收的钨铼薄膜热电偶电压信号和冷端温度传感器的电压信号进行相关处理，最后通过显示模块25进行显示，显示模块25的端口5与单片机24的端口P2.1相连。各模块的其他引脚如电源正负极引脚按相关规则进行连接。
热电偶冷端温度补偿原理：
由热电偶测温的原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，理论上定为0℃，热电偶所输出的热电势才是被测温度的单值函数。在应用时，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，并不是热电偶分度表的标定基准0℃，因而必须对冷端温度进行补偿，为此我们采用一种基于微流道的冷端补偿模块。具体方法是补偿导线法和自由端温度补偿相结合。
补偿导线法是指用导线将热电偶的冷端延伸出来，延伸到远离被测对象且温度又比较稳定的地方。不同的热电偶要求配用不同的补偿导线，使用补偿导线时，补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极同名端对应相接。正、负两极的接点温度应保持相同，延伸后的自由端温度应当恒定，且这种补偿导线要求在0-100℃范围内和所连接的热电偶应具有相同的热电性能。
利用补偿导线仅仅使自由端延伸到了温度较低或比较稳定的操作室，并没有保证自由端温度0℃，因此还需要自由端温度补偿。根据热电偶中间温度定律有：
E(T,0)＝E(T,T0)+E(T0,0)
式中：E(T,0)为热电偶热端温度所对应的电动势；
E(T,T0)为直接测得的热电偶电动势；
E(T0,0)为热电偶冷端温度所对应的电动势。
本发明的自由端温度补偿基于微处理器，即利用其他温度传感器将冷端温度对应的电动势输入微处理器中，同时直接测得的热电偶电动势也被输入到微处理器中，之后按照预先设定的程序自动补偿热电偶冷端温度。

Claims (8)

1.一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，包括热电偶和冷端温度补偿模块(20)；
热电偶包括设有热电偶冷端微流道的基底(1)，热电偶冷端微流道位于基底(1)的冷端上；冷端微流道采用针翅式微流道结构，且针翅(3)的大小及密集程度不相同，越靠近基底的冷端边缘，针翅(3)的大小越小且越密集；
冷端温度补偿模块(20)包括补偿导线(21)、第一放大器、第二放大器、冷端温度传感器(23)、微控制器(24)和显示模块(25)；补偿导线(21)的一端连接热电偶冷端的合金薄膜正负两极，进而输出热电偶因冷热端温度不同而产生的电压，该电压经第一放大器放大后输入微控制器(24)，冷端温度传感器(23)用于采集环境温度，对热电偶的冷端进行温度补偿，其采集的温度以电压的形式通过第二放大器放大后输入微控制器(24)，微控制器(24)对来自热电偶的电压和冷端温度传感器(23)所输入的电压进行综合处理，转换成温度信号通过显示模块(25)实时显示所测温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，热电偶为钨铼薄膜热电偶(10)，基底(1)为碳化硅陶瓷基底。
3.根据权利要求1所述的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，针翅之间的区域形成微通道(2)；在微流道的左右两端，靠近冷端边缘，分别设有注入口(4)和流出口(5)，冷却工质由注入口进入，在微通道内流动，最终在流出口处流出；冷却工质为固体或者液体。
4.根据权利要求1所述的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，热电偶的完整基底由两个带微流道的半个基底以微流道面对接形式组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，所述合金薄膜为钨铼薄膜；补偿导线(21)的材料与钨铼薄膜正负极材料相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，冷端温度传感器(23)的位置紧靠近热电偶的冷端。
7.根据权利要求1所述的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，所述放大器(22)的型号为OPA211，冷端温度传感器(23)的型号为TMP112，微控制器(24)的型号为MSP430g2553，显示模块(25)为12864液晶显示屏。
8.根据权利要求1所述的一种基于微流道的钨铼薄膜温度传感器冷端补偿结构，其特征在于，微控制器(24)对来自热电偶的电压E(T,T0)和冷端温度传感器(23)所输入的电压E(T0,0)相加，获得热电偶热端温度所对应的电动势E(T,0)；将电动势E(T,0)转换成温度信号通过显示模块(25)实时显示所测温度。
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