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由于在层流内层中不产生与固体壁面成垂直方向的流体对流混合,所以固体壁面与流体间进行传热时,热量只能以热传导方式通过层流内层。
虽然层流内层的厚度很薄,但导热的热阻值却很大,因此层流内层的热传导将产生较大的温度差。
另一方面,在湍流主体中,由于对流使流体质点混合剧烈,热量十分迅速的传递,因此湍流主体中的温度差极小,其传热就是典型的对流传热。
图1对流传热的温度分布示意图
图1对流传热的温度分布示意图,由于层流内层的导热热阻大,所需要的推动力温度
差就比拟大,温度曲线较陡,几乎成直线下降。
一般将流动流体中存在温度梯度的区域称
为传热边界层。
流传导的根本物理量定义以及公式如下:
(1)
热传导遵循傅里叶定律:
dx
式中,①为热流量〔J/s或者W〕,九为热传导系数〔〕,A为传热面积〔m2〕,dd为温度梯度〔K.mJ〕。
热流量或者热流密度定义为:
q=:
:
J/A〔2〕
其中导热系数■为:
o1C/P*d/T〔3〕
1.2影响对流传热系数的因素
但凡影响边界层导热和边界层外对流的条件都和■有关,目前所能设计的实验说明,
影响■的因素主要有:
1〕流体的种类,如液体、气体和蒸汽;
2〕流体的物理性质,如密度、黏度、导热系数和比热容等;
3〕流体的相态变化,在传热过程中有相变发生时的,值远大于没有相变发生时的,值;
4〕流体对流的状况,强制对流时的,值大于自然对流时的,值;
5〕流体的运动状况,湍流时的■值大于层流时的,值;
6〕传热壁面的形状、位置、大小、管或板、水平或垂直、直径、长度和高度
2.热对流式传感器的根本结构以及工作原理
热对流式传感器的根本原理是基于流体和固体之间的热交换原理,一般为在一个腔
体之内存在加热元件以及一组对称的热敏元件。
当加热元件工作时,会把腔体中的流体
加热,在流体稳定的条件下,热流体会与周围较冷的流体发生热对流传导。
在自然对流的情况下,两个热敏元件探测的温度是相等的。
如果在外界的作用力下发生强迫热交换,即打破原本的热对流状态,那么两边的温度变化会导致热电阻的电阻值变化。
这种阻值
角速度以及
变化可以反映外界物理量的变化,因此这种器件可以用来测量外部加速度,
流体流量等的变化。
图2热流式传感器的根本结构以及温度分布
在图中,加热丝由于热对流引起的热量耗散量为:
QcPDhlTh-Tf〔4〕
式中,I为热丝长度,D为热丝的直径,h为热对流换热系数,Th为热丝温度,Tf为流体温度。
根据强迫对流热交换理论,可以得到热丝散失的热量与流体的速度之间存在的关系式:
Qc=AB-VTh-Tf〔5〕
式中,AB为与热对流传导率与热丝的几何尺寸有关的物理常数。
当到达热平衡时,即有Q^QC
Ih用=A■B、.VTh-Tf]〔7〕
上式为流体与热丝热交换到达恒定时的表达式。
根据两边热敏元件的温度差异,通过惠
斯通电桥就可以测得流体的状态。
3.测量电路
3.1热流式传感器的测量电路
热流式传感器基于温度差分输出电压测量原理,因此根本调理电路是针对于Wheatstone电桥的差分电压放大电路。
由于热流式加速度传感器的工作原理是基于热传
导,因此它的响应频率比拟低,在电压放大的根底上增加了带宽补偿电路,通用补偿方
法有自动增益控制〔AGC〕、系统传递函数以及零极点并联〔串联〕补偿法以及发射极电容补偿方法⑴。
图3流式传感器调理以及补偿电路
3.2热流式传感器的温度补偿
热流式传感器一般工作在恒温条件下,当环境温度发生变化时,将会给测量带来误
差,因此一般采用桥接方式以及热敏电阻补偿器方法环境温度引起的测量误差。
流体
图4热流量传感器测量电路
图中R1,R2,R3是固定电阻器,Rh是传感器电阻,Rf是用于感测流体温度的电
阻,具有温度系数,可以补偿环境温度变化对测量结果的影响。
当流体温度不随时间变
化而变化时,Rf是一个常数。
假设假设在室温条件下,R2>
R3,且Rf=R'
h〔R'
h是室
温条件下的电阻值〕,那么电源提供的电流大局部都流向R3和R'
h支路。
接通电源后,R'
h
被加热,阻值升高到Rh时,电桥处于平衡状态。
尺=RiRfiiR3/R2
v°
i二Rh-R'
h二Rh-Rf
在实际测量过程中,Rf的阻值经常会发生变化,由于Rf与Rh的变化率不一致,输出电压也不再与Rf的变化成正比关系,造成测量误差。
设在0°
C是,电阻Rf的阻值为Rf0,当流体温度为T时,R3的值为
Rf二Rf。
1F二Rf。
:
RwT
当电桥平衡时,有
为了使Rh与Rf具有相同的变化率,必须对Rh进行斜率补偿,即对上式的第二项乘以
个系数R2/R3,令补偿后的Rh的值为Rc,即卩
因此,进行电阻的变化率对惠斯通电桥的输出温度漂移进行了校正。
4.热对流式传感器的应用
4.1热流式加速度传感器
热对流加速度计包含一个密闭的腔体,腔体中充有流体,其中有一个把腔体中加热
元件周围的流体加热,加热后的流体发生膨胀而密度下降,在重力的作用下上升,周围相对冷的流体填补到空位置上,这样反复循环而造成热对流传导。
加热元件和两个敏感元件都是悬空的,结构如下图[2-4]。
图5热流式加速度传感器的结构
流体围绕它们做对流运动,保证能够较好地传热。
当除了重力加速度以外没有其他加速度时,流体的流动是在垂直于通过热源的平面上关于中间加热元件对称的,两个热敏元件探测的温度是相等的。
如果对这个密封腔体加一个横向的加速度或者产生一个倾斜,那么气体分子由于加速度或者倾斜的对流形式的变化,从而使对称的热敏元件的温度产生差异。
如果热敏元件是电阻的话,那么用一个简单的Wheatstone电桥电路就可以把热敏电阻的差值测量出来,这个差值和它的加速度有一个比例的关系。
微加速度计目前广泛应用于许多不同的领域,诸如机器人、消费、通讯电子、娱乐以及机械电子设备,测量加速度和倾斜主要应用压电、压阻、力平衡以及电容加速度计。
压电加速度计无法测量静态信号,压阻式加速度传感器受外部环境的影响因素较大,力平衡式加速度传感器精度非常高但是本钱高昂,电容式加速度传感器主要受限于体积。
热流式传感器相较于上述加速度器件的主要优点为体积下、重量轻、抗冲击能力强以及性能优良等特点,可以轻松承受其几千倍量程的冲击,但是它的输出性能随着加热功率的变化而变化,而且它的功耗比一般微加速度计要大。
热流式加速度传感器开展至其技术比拟成熟,典型的代表有美新半导体〔MEMSIC〕公司的MX系列热流式加速度传感器,其具有优异的稳定性以及高达50,000g的抗冲击性能[5]。
结构如下列图所示:
图6美新MX系列热流式加速度传感器内部结构图
4.2热流式微流量传感器
根据工作模式可以把热流式微流量传感器分为:
热损失式微流量传感器、热行程式微流量传感器和热分布式微流量传感器。
热分布式微流量传感器又称为热梯度式微流量
传感器,它是通过测量流体流动引起微加热器两端温度非对称性的变化量,再通过实验
标定来确定流体的流量,工作原理如下图⑹。
图7流式微流量传感器
中间的微加热器对微流量传感器的微流道进行加热,微流道中流体流量为零时,微
流道壁上的轴向温度分布如图中的虚线所示,相对于微加热器是对称分布的。
当流体
流量不为零时,由于流体对微流道的非均匀冷却促使微流道内壁外表形成一个热边界层,
其厚度随着流体从微流道的上游向下游运动距离的加大而增加。
这说明随着流体流向加
热器时,流体的温度不断上升⑺。
图8流式微流量传感器的温度分布
由于热边界层的存在,微流道壁上的轴向温度相对于微加热器不再是对称分布,沿
流体流向,上游温度传感器的温度将低于下游温度传感器的温度,这时微流道壁上的轴向温度分布如图中的实线所示。
因此,利用加热器两侧对称制作的两个温度传感器就可以测出这个温度差。
在分别测得上、下游温度传感器温度差的情况下,可导出流体流量g,即:
A
q卄〔5〕
Cp
式中:
P为微加热器的加热功率;
Cp为被测流体介质的定压比热容;
A为微加热器与周围环境热交换系统之间的热传导系数;
K为系统修正系数。
在本论文中,因微流
道壁材料为石英,具有相对较高热导率,且其值不变,因此A的变化可简化为主要是
流体边界层热导率的变化。
当流体在某一流量范围时,A、Cp均可视为常量,那么流体流
量仅与上、下游温度传感器的温度差成正比,如图中A段所示。
图9体流量与温度传感器温差关系
A段为微流量传感器正常测量范围,微流量传感器中流体带走少量热量;
流量增大超过A点时,有更多的热量被带走而呈现非线性;
流量超过B点那么大量热量被带走。
为了获得良好的线形输出,必须保持层流流动。
因微加热器和温度传感器的尺寸以及两者间距离均很小,且微流道的内径尺寸也很小,所以微流量传感器检测精度较高,加热所需的能量也很少。
热流式传感器现已广泛应用于公共、食品、能源、冶金以及卫生领域中的流体流量
图10贝尔分析仪器系列的气体流量传感器
参考文献
[1]梁长垠,张守权•热流量传感器温度补偿方法研究[J].传感器与微系统,2006,25(4):
18-19.
[2]李立杰,梁春广•微机械热对流加速度计[J].半导体学报,2001,22(4):
465-468.
⑶王俊云.热对流式加速度传感器原理及应用[J].世界产品与技术,2006(3):
58-62.
[4]叶剑飞,刘晓阳.基于MEMS的热对流加速度计的现状和开展综述[J].传感器与微
系统,2021
(1):
5-7.
[5]memsic美新.美新加速度计[EB/OL].2021.
⑹王欢,李以贵,蔡金东,etal.基于微硅热丝的热流式加速度传感器[J].微纳电子技
术,2021(11).
[7]席文柱,闫卫平,马灵芝,etal.硅基热流式微流量传感器研究[J].传感技术学报,
2004(3):
446-448.
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