數字質量厚度傳感器溫度特性分析

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:32:43 來源：

1　引言

　　目前的電子儀器設備，主要由電子元器件、半導體器件等組成。這就存在兩個問題：一是很多元器件，尤其是半導體器件受溫度影響很嚴重，如Pbs等；二是電子元器件都有一個溫度限制，其可靠性與溫度成反比，超過這一限制時，可靠性和平均無故障時間將急劇地降低。研究表明，將儀器的溫度循環故意超過20℃，其失效率增加8倍［1］。
　　可見，對儀器儀表實施溫度控制在很多情況下是十分必要的。
　　在造紙過程中，檢測紙張定量、水分、灰分的傳感器，位于紙機烘缸之后，此處溫度很高。對于生產卷煙紙等的紙機，其尾部未設冷缸，到傳感器處，紙張的溫度約為65～75℃，儀表的散熱問題十分重要［2］。目前，從造紙過程控制使用的儀表來看，進口儀表幾乎都采用通水冷卻散熱［3］。國產儀表幾乎未采取任何散熱措施。通水冷卻，對水溫有一定要求，同時存在水管密封難、易出水珠、維修維護難、造價高等問題，給實際應用帶來不便；國產儀表，性能和可靠性均難滿足要求［2］。
　　針對上述情況，通過對現代熱控制技術的分析研究，我們提出了采用熱管與半導體致冷聯合散熱控溫方案［4］。

2　數字質量厚度傳感器簡介

　　數字核輻射質量厚度傳感器，其基本原理如圖1所示。

圖1　數字式質量厚度傳感器基本結構圖

　　其基本工作原理為：放射源的射線束輻射到被測物上，除部分被吸收、部分發生散射外，穿過被測物質的β射線，輻射到接收器的閃爍體上，閃爍體產生熒光，熒光光子經光電倍增管轉換放大，形成脈沖式電子流，再經放大整形及驅動，以脈沖形式送至微機，微機對其計數，再通過計算，便得出被測物質的質量厚度。
　　用于核光變換的閃爍體，其使用溫度應在75?D80℃以下，否則將影響精度和使用壽命。光電倍增管對溫度變化也極其敏感，隨溫度升高，光電倍增管的增益減小、信噪比增大、暗電流增大，這些因素都影響傳感器的靈敏度、穩定性等。因此光電倍增管最好保持在常溫下工作。高溫環境下使用時，可采用熱管和半導體致冷散熱的控溫技術，試驗證明效果非常好。

3　溫度特性分析

　　β射線穿過物質時，由于發生電離和激發以及韌致輻射，使低能β很快被吸收。對β譜的主要部分來說，吸收曲線近似為指數下降：

　　　　I=I0e-μmxm (1)

　　式中I0、I分別為穿過xm厚物質前、后的β輻射量，μm為質量吸收系數。
　　0℃時，空氣密度為1.2929kg/m3。假設質量厚度測量儀的氣隙高度為12mm。放射源及接收器直徑為40mm。在0～60℃范圍內，溫度每變化10℃，空氣密度平均變化約3.3%，氣隙高度為12mm，其空氣等效定量約為1.2929×12=15.6g/m2，氣隙定量變化為15.6×3.3%=0.515g/m2。
　　可見，氣隙溫度變化對測量儀的精度影響很大，可采用測溫、軟件補償予以消除。
　　暗電流及熱噪聲除受管子加工制作及原材料影響外，主要受溫度變化影響，其溫度關系曲線分別如圖2及3所示。

圖2　溫度變化對光電倍增管暗電流影響曲線

圖3　溫度變化對光電倍增管熱噪聲影響曲線

可見，降溫或控溫對閃爍探測器性能提高是十分必要的。

4　熱管控溫技術

　　熱管是一種高效的傳熱器件，具有極好的導熱性，可在極小的溫差下遠距離高效地傳輸熱量，且不需任何外部壓送功率。
　　圖4是一種典型的熱管結構。它是一個封閉的容器。整個熱管從縱向上可分為蒸發段、絕熱段和冷凝段；從徑向上可分為液態工質、管芯和管殼。管芯用于浸透工質的液相，管殼內的其余部分容納工質的汽相。

圖4　熱管工作原理示意圖

　　熱量從蒸發段輸入、冷凝段排出。當蒸發段受熱時，管芯材料中的液態工質蒸發。一方面，由此建立起蒸發段與冷凝段間的壓差，把蒸汽從該段驅送到冷凝段。只要冷凝段溫度低于蒸汽的飽和溫度，它就在該段凝結，并把汽化潛熱傳給外部散熱器耗散掉。另一方面，蒸發段管芯材料中液體蒸發，使該段的液汽界面縮入管芯，使界面曲率半徑減小到產生毛細壓力。該毛細壓力把冷凝段的液相工質抽吸回蒸發段，使之重新蒸發。這一過程周而復始，高效地將熱量從蒸發段轉移到冷凝段。
　　由于熱管是靠相變潛熱來傳熱的，因此，熱管兩端溫差很小，一般為零點幾至幾度間。熱管的導熱能力極高，是良金屬導體的103?D104倍。

5　散熱控溫方案

　　我們所要散熱控溫的儀表是在線式檢測儀表，其特點是周圍環境溫度較高。散熱控溫措施應簡單、可靠，最好不要帶一些輔助設備，因檢測儀一般要隨掃描架探頭等運動件一起運動。另外，儀表中某些元器件，對散熱控溫精度要求很高，同時要求散熱控溫裝置最好能較快地將外部環境變化帶來的及自身產生的熱量散發出去，即要求一定的快速性。
　　基于上述情況，我們采用局部半導體致冷，用絕熱管將半導體致冷器熱端熱量傳到儀表外，用擴大面積自然冷卻或強制風冷將熱量散掉。該方案在需要散發熱量不是很大時，可以采用圖5所示的結構。

圖5　熱管半導體致冷器散熱控溫方案

對于氣隙溫度影響，我們采用溫度傳感器檢測，軟件補償方法消除。而光電倍增管采用半導體致冷器和熱管聯合散熱控溫的辦法。
　　熱管的引入，使儀表的散熱控溫問題得到較徹底的解決。
　　性能指標：使用溫度范圍為10～60℃；控溫精度為±2℃。
　　圖6給出了使用上述散熱控溫技術后，數字質量厚度傳感器的八小時漂移曲線，其均方差為0.1026g/m2；不加溫控時一般為0.6～1.0g/m2左右?？梢?，溫控系統加入使儀表性能大為提高。