双自热珠式热敏元件在水流速测量中的应用.docx

1、双自热珠式热敏元件在水流速测量中的应用陈秋航（宜宾地区技#监噌局室宾644000）王厕程（成都宏明电子实业总公司成都610058）T7摘要研制出一种由双自然NTC热敏元件杓成的断型水浪速传感容。它克股了熹浆义流迫传感春响应慢、琅殊JL等媒点，道用于测量070cm/s的水速。关键词尸白热烘做尤件51电阻温度数水流速度,艺可"祟，DuelSelf-heatedBeadThermalSensitiveElementsforWaterFlowVelocityMeasuringChenQiuhang(YibinBureauofTechnologySupervision*Yibin644000)

2、WangPengcheng(HongmingElectronicsIndustryCo.Chengdu610058)ABSTRACTAnewlydevelopedwarerflowvelocitysevuorcomposedofduelself-heatedNTCthermalenflitiveelementitrepresented.Thecompared由thpropeller-typecurrentmeter*,hasBorneadvan-tngestsuchM(MterBenningreponne,bettertraceability.Themeasuringrange沱070cm/，

3、KEYWORDSdudeW-heatcdthermaloeutuiveetecneciu»NTC.water(lowvelocity*收稽日期，1997-03-271引言现有劣工、也工模型使用的旋浆式流速仪，因转动部件商大，存在响应慢易破坏水流场等缺点，使其应用受到一定限制.本文采用双自热热敏元件,在传感测头、转换电路、线化电路方面的研究，解决了动态特性的线化和热损耗的补偿等问题.这一成果，不仅满足了时均流速测量的实用要求,使热敏元件用作水流速度传感器成为可能,也为热敏元件动态特性的新应用创造了有利条件。2系统组成及其工作原理2.1系统组成我们采用恒流工作制进行水流流速测量研究的系统

4、由图1所示的9个部分组成.2.2工作原理传感器由两只NTC热敏电阻构成，均由恒流电源馈电。其中.作流速测量用的热敏元件（RTD输出一个既受流速影响，又受水温影响的信号至加法器，作温度补偿用的热敏元件（RTQ,输出一个仅受水温影响的信号至补偿电路.经补偿电路处理后也籀至加法器。加法器电路对两个信号合成后,辅出一个仅受水流速度影响的被测信息.该信息是非线性的，经线化器处理后，辅出的信息分两路.一路经积分器精出一个时均流速信息至电压表，另一路经光线示波器输出一图1方槌电路图图1方槌电路图个瞬时流信息，它与时均流速信号进一步合成，即可得到所需的昧冲流速信号.图2所示为系统各电路测点的信息波形.牛顿定律

5、是热敏元件用于水流速度测量的基础。本研究借助RARasmussen先生的经验公式，提出了更为适用的经验公式：(1)式中：v水流速度；A与测头结构和介质有关的特性流速IB与NTC的工作电流、热阻、温度系数有关的灵敏度,U测头的输出电压；C修正系数.3传感器的结构传感器由测量元件R)，补偿元件RTD、测杆、支撑体及后盖等5部分组成.其外形尺寸见图3.据灵敏度、稳定性和工作介质的要求，我们选用的RT】和RTt,均为经玻璃封装的微型珠式NTC热敏元件.通过反复验证，RT,和RT：的结构和尺寸如图4所示.这对于保证河工模型的水流场，不会由于传感器的投入而发生明显变化是很有必要的.图3传痛邪结构示重此外，

6、为了减少热损耗，支撑体选用热导率小的高聚合物制作.为了取得良好的补偿效果，我们选用了导黑优良耐腐蚀的纯铜后盖。测杆材料无严格要求.只要具有足够的强度即可。图4弟敏元件结构示意4实驳4.1热敏元件基本参数的选择冷态阻值、B值、'热时间常数、工作电流下的热态阻值及其稳定性等，是选择热敏元件的5个基本参数.计算和试验证明，想态阻值越大,输出的信号越大.但过大的热态阻值给电路设计带来困难。B值越高.灵敏度越高。但过高的B值，灵敏度的衰减太快。为扩展流速测量范围,应选择B值较低的热敏元件。通过反复试验，由Mn、C。、Ni、Cu四元系氧化物制备的珠式热敏元件，基本具备本研究项目要求。最终选定的冷态

7、阻值(&25)为1oooa士5%;B值为2860K±l%。流速测量用的热敏元件，时间常数越小越好，由于工艺条件限制，本项目选用的热敏元件，在水中的热时间常数小于01s.热态阻值取决于工作电流和耗散常数。为了保证足够的输出信号，我们选择的工作电流为2030mA,与此对应的热态阻值大于50Q.该元件的稳定性，通过工艺质控和电老化筛选保证。实践证明，以40mA、100h为应力，以工作电流范围内U”特性的斜率偏移小于±5%为判据，进行老化筛选，可以获得稳死性满足实用要求的元件。4.2线化研究经加法器输出的信号，与水流速度之间的关系是非线性的。当流速较小时输出信号随流速呈对数

8、规律增加；当流速达到一定值后，输出信号随流速缓慢增加.这就给测量带来很多不便。常用的线化网络.对于热态阻值的线化计算相当麻烦.我们借助PN结特性的非线性，很好地解决了这个问题。图5示出的线化处理前、后的(v)关系.充分证明了本线化研究的效果。图5级化处理前、后的输出时比4.3温度补偿研究水流速度测量用热敏电阻传感器的温度补偿，存在两大特殊困难：其一是水的热导率高.造成大的热传导损失。实验测出RT在水中的热导损失，占总损失的85%；其二是水中含有的大量可溶性气体.易于吸附在处于自热状态时的传感器测头表面，形成热导不良的气泡。这就限制了借助升高工作电流,降低水温影响输出信号漂移的效果。因此，我们采

9、用一对动态特性一致、处于双自热状态的热敏元件，分别安装在传感器支捧体的前、后端。前端的热敏元件（RTD，既感受水流流速、又感受水温，后端的热敏元件（RTD、仅感受水温.它们的信号经加法器合成后，成功地克服了上述困难，其补偿效果见图6°5测试结果与讨论5.1Up特性的跟踪测试试样经过近3个月的Up特性测试，23组标定水槽跟踪实测值的平均误差为士3%,其误差范围满足实用要求.经分析，产生误差的主要原因，一是测头与水流方向的偏差，当测头偏离水的流向为5。时，将会引起10%的误差：二是测头被水垢污染；三是电路自身的漂移.5.2稳定性测试鉴于热敏电阻工作于自热状态，我们将测头置于静水中，在20

10、mA的偏置电流下，以U-T特性的漂移率衡量其稳定性。试样经4个多月、22次测试，其漂移率机械化生产小型单端NTC热敏电阻器机械化生产小型单端NTC热敏电阻器刘原平5甲1（合肥三晶敏感元件有很公司合把230031）1引盲测温用NTC热敏电阻器的小型化、高精度、高可靠及其生产过程的自动化、规模化历来是有关生产厂家和科研机构研究的热点.小型单端NTC热敏电阻器以其便于焊接、安装、体积小而被广泛应用于空调遥控器、数字体温计以及制作各种封装形式的感为土5%,达到预期效果。根据解剖分析，热敏元件制备工艺过程中产生的缺陷，导致阻体热匝分布不均匀，是稳定性恶化的主要原因。5.3主要参数测试线化范囹：。70cm

11、/s；灵敏度：N12mVs/ciiu适用温度范围：一5+35C;温度漂移：V1.5mV/'C°6结论本研究成果，在一535C的范围内，适用于测最。70cm/s的水流速度。进一步改进热敏元件的成型、烧成和封装工艺，完善测头的定向结构，可以拓宽测量范围、提高治鼠精度.采用膜式焦敏元件，克服珠式熙敏元件比表面积小的缺点，是扩展测量范围、提高精度的有效途径，也是研制多维测量传感器的方向。杈收稽R期，1997-06-13收稽R期，1997-06-13温探头。目前市场上方角引线的小型单端NTC热敏电阻器多为石求（日本）、飞利浦等国外公司产品。国内产品或采用手工焊接，现范性差，效率低；或沿

12、用传统工艺，电阻片尺寸较大，精度不高。与国外产品尺寸相当的小型单端NTC元件的机械化生产工艺国内尚未见报道.我们会同有关单位对此进行了一系列研究、开发工作，在精密方角引线的大批量制作和小尺寸方片（1mmXlmmX0.3mm）的自动化插片方面取得了突破性进展，为大规模、高效率地生产小型单端NTC热敏电阻器开辟了一条可行途径（两项国内首创性成果，已申请国家专利）.2元件结构热敏电阻器外形尺寸见图1、图2。031焊接用NTC热敏电阿部外形尺寸这种引线结构便于安装于线路板上，无须预处理引线，使焊接制作温度传感器的效率大大提高.既可手工烙轶焊，也可机器点焊032安装用NTC热敏电阻器外形尺寸3工艺流程与

13、特点生产工艺全过程敞合了超微细粉制备工艺、半导体后加工工艺和圆片电容器的部分改进工艺.由于解决了精密方角引线的大批量制作和小尺寸方片的自动化插片这两个关键性何题，使得小尺寸单端元件的生产可借用圆片电容器的部分生产工艺,如：插片、浸焊、粉末环氧包封等，大大提高了工效。工艺流程如图3.|共沉淀制粉|T预烧|T等曾压酸灵烧结|T切片|1电根|HaVI方角亩峻制作一|可|理I一TTT切II理I一TTT切II图3生产工艺疏程该工艺具有如下待点：（1）效率高.由于插片、浸焊、包封等工序均由机械设备完成.使得工效比手工操作至少提高日0倍.（2）可靠性提高.由于浸焊时预热，焊接的温度和时间可准确控制，避免了手工烙铁焊接可能引起的虚焊或过焊。<3）精度高。通过采用先进的制粉工艺和半导体切、划片工艺，可使材料均匀性和电阻片尺寸的精确度大大提高。（