數字質量厚度傳感器溫度特性分析

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(huán)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(fā)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—80℃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(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，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(fā)生電離和激發(fā)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(fā)段、絕熱段和冷凝段；從徑向上可分為液態(tài)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(fā)段輸入、冷凝段排出。當蒸發(fā)段受熱時，管芯材料中的液態(tài)工質蒸發(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(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生毛細壓力。該毛細壓力把冷凝段的液相工質抽吸回蒸發(fā)段，使之重新蒸發(fā)。這一過程周而復始，高效地將熱量從蒸發(fā)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—104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(huán)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(huán)境變化帶來的及自身產生的熱量散發(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(fā)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。可見，溫控系統(tǒng)加入使儀表性能大為提高。

圖6　質量厚度傳感器八小時漂移曲線

6　結論

溫度變化影響質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熱性特點，采用半導體致冷器和熱管散熱的控溫技術，使質量厚度傳感器的性能大為提高。該技術可廣泛用于各種在線式傳感器，有很好的推廣價值。