[发明专利]一种基于直接测温的平板型导热热流传感器

说明书

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；