數(shù)字質(zhì)量厚度傳感器溫度特性分析

1　引言

目前的電子儀器設(shè)備，主要由電子元器件、半導(dǎo)體器件等組成。這就存在兩個(gè)問(wèn)題：一是很多元器件，尤其是半導(dǎo)體器件受溫度影響很?chē)?yán)重，如Pbs等；二是電子元器件都有一個(gè)溫度限制，其可靠性與溫度成反比，超過(guò)這一限制時(shí)，可靠性和平均無(wú)故障時(shí)間將急劇地降低。研究表明，將儀器的溫度循環(huán)故意超過(guò)20℃，其失效率增加8倍［1］。

可見(jiàn)，對(duì)儀器儀表實(shí)施溫度控制在很多情況下是十分必要的。

在造紙過(guò)程中，檢測(cè)紙張定量、水分、灰分的傳感器，位于紙機(jī)烘缸之后，此處溫度很高。對(duì)于生產(chǎn)卷煙紙等的紙機(jī)，其尾部未設(shè)冷缸，到傳感器處，紙張的溫度約為65～75℃，儀表的散熱問(wèn)題十分重要［2］。目前，從造紙過(guò)程控制使用的儀表來(lái)看，進(jìn)口儀表幾乎都采用通水冷卻散熱［3］。國(guó)產(chǎn)儀表幾乎未采取任何散熱措施。通水冷卻，對(duì)水溫有一定要求，同時(shí)存在水管密封難、易出水珠、維修維護(hù)難、造價(jià)高等問(wèn)題，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不便；國(guó)產(chǎn)儀表，性能和可靠性均難滿(mǎn)足要求［2］。

針對(duì)上述情況，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代熱控制技術(shù)的分析研究，我們提出了采用熱管與半導(dǎo)體致冷聯(lián)合散熱控溫方案［4］。

2　數(shù)字質(zhì)量厚度傳感器簡(jiǎn)介

數(shù)字核輻射質(zhì)量厚度傳感器，其基本原理如圖1所示。

圖1　數(shù)字式質(zhì)量厚度傳感器基本結(jié)構(gòu)圖

其基本工作原理為：放射源的射線(xiàn)束輻射到被測(cè)物上，除部分被吸收、部分發(fā)生散射外，穿過(guò)被測(cè)物質(zhì)的β射線(xiàn)，輻射到接收器的閃爍體上，閃爍體產(chǎn)生熒光，熒光光子經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換放大，形成脈沖式電子流，再經(jīng)放大整形及驅(qū)動(dòng)，以脈沖形式送至微機(jī)，微機(jī)對(duì)其計(jì)數(shù)，再通過(guò)計(jì)算，便得出被測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量厚度。

用于核光變換的閃爍體，其使用溫度應(yīng)在75—80℃以下，否則將影響精度和使用壽命。光電倍增管對(duì)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(wěn)定性等。因此光電倍增管最好保持在常溫下工作。高溫環(huán)境下使用時(shí)，可采用熱管和半導(dǎo)體致冷散熱的控溫技術(shù)，試驗(yàn)證明效果非常好。

3　溫度特性分析

β射線(xiàn)穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于發(fā)生電離和激發(fā)以及韌致輻射，使低能β很快被吸收。對(duì)β譜的主要部分來(lái)說(shuō)，吸收曲線(xiàn)近似為指數(shù)下降：

I=I0e-μmxm (1)

式中I0、I分別為穿過(guò)xm厚物質(zhì)前、后的β輻射量，μm為質(zhì)量吸收系數(shù)。

0℃時(shí)，空氣密度為1.2929kg/m3。假設(shè)質(zhì)量厚度測(cè)量?jī)x的氣隙高度為12mm。放射源及接收器直徑為40mm。在0～60℃范圍內(nèi)，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(jiàn)，氣隙溫度變化對(duì)測(cè)量?jī)x的精度影響很大，可采用測(cè)溫、軟件補(bǔ)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(guān)系曲線(xiàn)分別如圖2及3所示。

圖2　溫度變化對(duì)光電倍增管暗電流影響曲線(xiàn) 圖3　溫度變化對(duì)光電倍增管熱噪聲影響曲線(xiàn)

可見(jiàn)，降溫或控溫對(duì)閃爍探測(cè)器性能提高是十分必要的。

4　熱管控溫技術(shù)

熱管是一種高效的傳熱器件，具有極好的導(dǎo)熱性，可在極小的溫差下遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)。它是一個(gè)封閉的容器。整個(gè)熱管從縱向上可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段；從徑向上可分為液態(tài)工質(zhì)、管芯和管殼。管芯用于浸透工質(zhì)的液相，管殼內(nèi)的其余部分容納工質(zhì)的汽相。

圖4　熱管工作原理示意圖

熱量從蒸發(fā)段輸入、冷凝段排出。當(dāng)蒸發(fā)段受熱時(shí)，管芯材料中的液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)。一方面，由此建立起蒸發(fā)段與冷凝段間的壓差，把蒸汽從該段驅(qū)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(jié)，并把汽化潛熱傳給外部散熱器耗散掉。另一方面，蒸發(fā)段管芯材料中液體蒸發(fā)，使該段的液汽界面縮入管芯，使界面曲率半徑減小到產(chǎn)生毛細(xì)壓力。該毛細(xì)壓力把冷凝段的液相工質(zhì)抽吸回蒸發(fā)段，使之重新蒸發(fā)。這一過(guò)程周而復(fù)始，高效地將熱量從蒸發(fā)段轉(zhuǎn)移到冷凝段。

由于熱管是靠相變潛熱來(lái)傳熱的，因此，熱管兩端溫差很小，一般為零點(diǎn)幾至幾度間。熱管的導(dǎo)熱能力極高，是良金屬導(dǎo)體的103—104倍。

5　散熱控溫方案

我們所要散熱控溫的儀表是在線(xiàn)式檢測(cè)儀表，其特點(diǎn)是周?chē)h(huán)境溫度較高。散熱控溫措施應(yīng)簡(jiǎn)單、可靠，最好不要帶一些輔助設(shè)備，因檢測(cè)儀一般要隨掃描架探頭等運(yùn)動(dòng)件一起運(yùn)動(dòng)。另外，儀表中某些元器件，對(duì)散熱控溫精度要求很高，同時(shí)要求散熱控溫裝置最好能較快地將外部環(huán)境變化帶來(lái)的及自身產(chǎn)生的熱量散發(fā)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(dǎo)體致冷，用絕熱管將半導(dǎo)體致冷器熱端熱量傳到儀表外，用擴(kuò)大面積自然冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷將熱量散掉。該方案在需要散發(fā)熱量不是很大時(shí)，可以采用圖5所示的結(jié)構(gòu)。

圖5　熱管半導(dǎo)體致冷器散熱控溫方案

對(duì)于氣隙溫度影響，我們采用溫度傳感器檢測(cè)，軟件補(bǔ)償方法消除。而光電倍增管采用半導(dǎo)體致冷器和熱管聯(lián)合散熱控溫的辦法。

熱管的引入，使儀表的散熱控溫問(wèn)題得到較徹底的解決。

性能指標(biāo)：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(shù)后，數(shù)字質(zhì)量厚度傳感器的八小時(shí)漂移曲線(xiàn)，其均方差為0.1026g/m2；不加溫控時(shí)一般為0.6～1.0g/m2左右?？梢?jiàn)，溫控系統(tǒng)加入使儀表性能大為提高。

圖6　質(zhì)量厚度傳感器八小時(shí)漂移曲線(xiàn)

6　結(jié)論

溫度變化影響質(zhì)量厚度傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，利用熱管高效的傳熱性及極好的導(dǎo)熱性特點(diǎn)，采用半導(dǎo)體致冷器和熱管散熱的控溫技術(shù)，使質(zhì)量厚度傳感器的性能大為提高。該技術(shù)可廣泛用于各種在線(xiàn)式傳感器，有很好的推廣價(jià)值。