基于Fluent的雙加熱濕度傳感器傳熱性能分析*

楊 杰，劉清惓，戴 偉，龔定祺

(1.中國氣象局 氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 大氣物理學院，江蘇 南京 210044；3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044；4.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

基于Fluent的雙加熱濕度傳感器傳熱性能分析*

楊 杰1,2，劉清惓3,4，戴 偉1,2，龔定祺3,4

(1.中國氣象局 氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 大氣物理學院，江蘇 南京 210044；3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044；4.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

雙加熱濕度傳感器可實現大氣濕度連續探測。液滴、冰晶等水凝物覆蓋在雙加熱濕度傳感器表面，容易導致其測量精度和響應速度降低。為了提高測量精度和響應速度，有必要對雙加熱濕度傳感器進行除濕處理。采用Pro/E建立4種尺寸的雙加熱濕度傳感器三維模型；利用ICEM CFD中模塊化的方法對模型進行分網，得到了較高的網格質量，降低了計算時間，提高了計算精度；利用Fluent穩態分析模擬出2只濕度傳感器不同間距下的相互影響情況，瞬態分析模擬出升溫時間和降溫時間特性。根據仿真結果，提出高空和低空2種模式加熱策略。

氣象觀測；雙加熱濕度傳感器；加熱策略；計算流體動力學；瞬態分析

0 引 言

我國因干旱、洪澇等氣象災害平均每年蒙受上千億元損失，提高我國的水汽(濕度)探測能力，有助于增強災害預警和人工影響天氣能力。近年來研究發現，對流層上部和平流層下部的水汽探測有重要意義[1,2]。

在高空氣象觀測中，不僅要求濕度傳感器具有較高的精度，而且要求響應速度達到秒級以下，因此，濕度傳感器表面應與空氣充分接觸。測量過程中，為便于氣流掠過濕度傳感器芯片表面，濕度傳感器需暴露在探空儀的外部。然而，隨著探空高度的增加，環境溫度隨之降低，這將使得濕度傳感器表面出現結霜或結冰的現象，霜或冰在其表面覆蓋將導致測量結果偏離準確值。即使傳感器表面沒有附著霜、冰、雨滴等，當環境溫度達到-30 ℃甚至更低時，水分子在濕敏薄膜中擴散會變得相當困難，從而降低響應速度和測量精度。為了解決上述問題，Vaisala公司提出了一種基于雙加熱濕度傳感器的探空測量方法，初步解決了雨滴、霜、冰晶等表面覆蓋物的烘干問題。

本文采用Pro/E建立4種尺寸的雙加熱濕度傳感器三維模型，并進行了傳熱性能分析，實驗結果表明：傳感器尺寸越小，越容易滿足高精度和高響應速度要求。

1 物理模型

1.1 雙加熱濕度傳感器

如圖1所示，雙加熱濕度傳感器由2只相同的電容式濕度傳感器構成，在芯片上還集成了加熱電阻器和與之相連的焊盤。2只濕度傳感器交替循環工作，其工作原理為：濕度傳感器A進行烘干時，濕度傳感器B在進行測量，當傳感器A完成烘干進行測量時，傳感器B再進入烘干。

圖1 雙加熱濕度傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of twin heated humidity sensor

為便于數學描述，根據控制邏輯可將雙加熱濕度傳感器的工作周期分為4個階段，即加熱段、穩定段、降溫段和測量段，分別用圖2中的t1～t4表示。在加熱段加熱傳感器使其溫度從T1(環境溫度)升高到目標溫度T2(高出環境溫度50 ℃)；在穩定段通過芯片中集成的加熱電阻器將傳感器溫度維持在T2；在冷卻段通過自然對流[3]對傳感器進行冷卻；最后進入測量段對濕度進行測量；冷卻降溫段可近似為指數函數的衰減過程。2只濕度傳感器交替工作，當傳感器A進行前3段工作時，傳感器B在第四段測量濕度。當傳感器A完成前3段工作進入第四段測量濕度時，傳感器B進入前3段進行烘干冷卻工作，依次循環可以實現濕度的不間斷測量。

圖2 雙加熱濕度傳感器工作時間段Fig 2 Working time stage of twin heated humidity sensor

1.2 基本假設

雙加熱濕度傳感器的計算模型如圖3所示，在模型中對雙加熱濕度傳感器及其邊界條件作如下假設：忽略濕敏薄膜、焊盤和PCB板對傳熱的影響；氣流為6 m/s垂直向上，不考慮風脈動對傳熱的影響；Pt電阻器加熱為均勻加熱。

圖3 雙加熱濕度傳感器3D模型Fig 3 3D model of twin heated humidity sensor

1.3 功率加載方案

1)恒定功率加載方案

升溫段加載恒定功率即在升溫段給加熱電阻器提供一個隨海拔高度恒定不變的加熱功率。由于隨著海拔高度的升高，空氣散熱情況逐漸變差，因此，在恒定加熱功率條件下，與海拔高度對應的升溫時間隨著海拔高度增加而減小。

2)變功率加載方案

升溫段加載變功率即在升溫段給加熱電阻器提供一個隨海拔高度不斷變化的加熱功率。升溫段加載變功率可以實現不同海拔高度條件下升溫時間相同，但是加熱電阻器功率變化使得電路變得復雜，需在濕度傳感器表面放置多只測溫電阻器不斷地測量其溫度，并反饋給控制電路，控制電路通過獲知的溫度值來判斷所需提供的加熱功率，這使得雙加熱濕度傳感器的測量系統變得復雜。

1.4 網格劃分

網格可分為結構化和非結構化網格2種[4]。為了獲得理想的網格劃分質量，采用ICEM CFD中模塊(Block)的方法對雙加熱濕度傳感器模型進行網格劃分[5]，得到的六面體網格不僅可實現高的計算效率，亦可保證解算方程能正常收斂。圖4為雙加熱濕度傳感器模型與空氣的網格劃分情況，中部的較密的塊狀區域為雙加熱濕度傳感器，X，Y，Z3個方向的尺度充斥整個模型的長方體為空氣流動區域。

圖4 雙加熱濕度傳感器的網格劃分Fig 4 Mesh division of twin heated humidity sensor

2 CFD仿真結果與分析

2.1 雙加熱濕度傳感器的間距對傳熱的影響

由圖5(a)可知，間距為0.5,1,2 mm的雙加熱濕度傳感器，當其中1只濕度傳感器處于加熱烘干段時，另1只濕度傳感器的溫度會受其影響，從而相對于環境溫度有所升高。當間距達到或者超過3 mm時，對其中1只濕度傳感器進行加熱烘干時，另1只濕度傳感器溫度不受影響，仍保持與環境溫度相同，所以，其測量結果相比于間距為0.5，1，2 mm較準確。由圖5(b)知，只有當2只濕度傳感器間距離不小于1.5 mm時，2只濕度傳感器才不會相互影響。由圖5(c)知，只有當2只濕度傳感器間距離不小于1 mm時，兩只濕度傳感器才不會相互影響。由圖5(d)知，只有當2只濕度傳感器間距離不小于0.8 mm時，2只濕度傳感器才不會相互影響。

圖5 雙加熱濕度傳感器溫度場分布Fig 5 Distribution of temperature field of twin heated humidity sensor

2.2 雙加熱濕度傳感器升溫時間與降溫時間

根據1976 年出版的美國標準大氣[6]可獲得氣壓與海拔高度的數據,不同海拔高度下升溫時間與降溫時間均不同，兩者均制約著雙加熱濕度傳感器能否正常工作。升溫時間與加熱功率密切相關，降溫時間與降溫幅度大小密不可分。

降溫過程可近似為指數函數衰減過程，降溫幅度越大，所需的降溫時間越長。由雙加熱濕度傳感器的工作時段可知，將降溫過程拆分為降溫過程和測量過程兩部分。降溫時間即降溫過程所用時間，降溫時間大小與降溫幅度密切相關，幅度越大即降溫值越大，所需降溫時間越長。本文將降溫幅度設為48,46,44,42,40 ℃ 5個值。

圖6 升溫時間、降溫時間與海拔高度關系Fig 6 Relationship between sea level elevation and timeof heating and cooling stages

由圖6(a)可知，不同尺寸雙加熱濕度傳感器在不同加熱功率不同海拔條件下，升溫時間均不同，升溫時間隨著海拔高度的增加呈拋物線關系。從圖6(b)可以看出：雙加熱濕度傳感器的冷卻時間隨著海拔高度的增加呈斜率不斷增大的拋物線關系。

3 加熱策略設計

3.1 加熱策略

測量周期即4段時間之和，t1與t3由仿真計算可知，t2為經驗值5 s，t4大小為前3段之和。

測量精度和響應速度是雙加熱濕度傳感器的2個重要指標。溫度降幅的增大雖然會提高測量精度，但會導致測量周期相應的變長，隨著測量周期長到超過一定值，會導致在測量的過程中雪、冰晶、雨滴等污染物可能又會附著在傳感器表面，導致測量產生較大誤差。因此，由于溫度降幅的增大，整個測量過程的測量精度得不到保障。此外，隨著測量周期的變長，響應速度下降。

溫度降幅的減小會縮短測量周期，但會使得傳感器在測量時與環境的溫差變大，較大的溫差將導致較大的測量誤差。因此,溫度降幅越小，對測量造成的誤差就越大。溫度降幅的減小，雖然響應速度得到提高，但測量精度得不到保障。

基于此，在測量周期較短時，測量精度和響應速度相互制約，提高測量精度必然要犧牲響應速度，提高響應速度同樣要犧牲測量精度；在測量周期較長時，測量精度和響應速度均得不到保障。因此，應根據應用環境與設計需求，合理選擇測量精度與響應速度。

短期天氣預報一般只考慮低空環境(如0～ 20 km)，然而長期天氣預報一般只考慮高空環境(如20 ～ 32 km)。因此，本文提出了一種分為低空模式和高空模式的加熱策略。

3.2 加熱策略設計

為了實現雙加熱濕度傳感器在不同海拔高度下的高測量精度和高響應速度的要求，應根據應用環境和設計需求設計對應的加熱策略。以下是針對4種尺寸雙加熱濕度傳感器設計的加熱策略方案。

1)尺寸為6 mm×4 mm×0.625 mm的雙加熱濕度傳感器在高空條件下，32 km處溫度降幅為48,46,44,42 ℃的測量周期均較大，最大為265 s，最小也為170 s，不符合設計要求。溫度降幅為40 ℃的最大測量周期為145 s，相對較低，符合高響應速度要求。因此，高空采用溫度降幅為40 ℃的測量周期。在低空條件下，20 km處溫度降幅為48 ℃的測量周期為130 s，測量周期較大，不符合高響應速度設計要求。溫度降幅為44，42，40 ℃的測量周期均較小，滿足低空高響應速度要求，但是其測量精度相對較低，不滿足高精度的測量要求。溫度降幅為46 ℃的測量周期為100 s，滿足高精度和高響應度的設計要求。因此，在低空采用溫度降幅為46 ℃的測量周期。

2)尺寸為3 mm×2 mm×0.5 mm的雙加熱濕度傳感器在高空采用溫度降幅為42 ℃的測量周期，在低空采用溫度降幅為48 ℃的測量周期。

3)尺寸為1.5 mm×1 mm×0.4 mm和0.75 mm×0.5 mm×0.4 mm的雙加熱濕度傳感器在低空和高空均可采用溫度降幅為48 ℃的測量周期。

4 結 論

1)計算結果表明：升溫時間隨著海拔高度增加呈斜率為負值且不斷增大的拋物線關系，冷卻時間隨著海拔高度的增加呈斜率為正且不斷增大的拋物線關系。不同海拔高度需設置不同的升溫時間與冷卻時間。

2)不同尺寸雙加熱濕度傳感器的測量周期不同，較小尺寸的測量周期相對較小，響應速度較快。

3)在探空儀上升速度為6 m/s的條件下，當尺寸為6 mm×4 mm×0.625 mm的雙加熱濕度傳感器的2只濕度傳感器間的距離不小于3 mm時，對1只濕度傳感器進行加熱時，對另一只的測量不產生影響；當尺寸為3 mm×2 mm×0.5 mm的雙加熱濕度傳感器的2只濕度傳感器間的距離不小于1.5 mm時，對1只濕度傳感器進行加熱時，對另1只的測量不產生影響；當尺寸為1.5 mm×1 mm×0.4 mm的雙加熱濕度傳感器的2只濕度傳感器間的距離不小于1 mm時，對1只濕度傳感器進行加熱時，對另1只的測量不產生影響；當尺寸為0.75 mm×0.5 mm×0.4 mm的雙加熱濕度傳感器的2只濕度傳感器間的距離不小于0.8 mm時，對1只濕度傳感器進行加熱時，對另1只的測量不產生影響。

4)表明實驗仿真結果：傳感器尺寸越小，越容易同時滿足高精度和高響應速度。尺寸為1.5 mm×1 mm×0.4 mm和0.75 mm×0.5 mm×0.4的傳感器均可采用既能滿足高精度要求的降幅為48 ℃的降溫方式，同時又能滿足響應時間較短的需求。

[1] 呂達仁,卞建春,陳洪濱，等.平流層大氣過程研究的前沿與重要性[J].地球科學進展,2009,24(3):221-228.

[2] 卞建春.上對流層/下平流層大氣垂直結構研究進展[J].地球科學進展,2009,24(3):262-271.

[3] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社,2006：197-202.

[4] 紀兵兵,陳金瓶.ANSYS ICEM CFD網格劃分技術實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2012:12.

[5] 沈廣平,秦 明,黃慶安，等.低熱導率襯底的熱風速風向傳感器研究[J].儀器儀表學報,2009,30(5):984-989.

[6] 楊榮康,戴 偉,劉清惓，等.探空溫度傳感器的太陽輻射誤差研究[J].傳感器與微系統,2013,32(1):13-16.

Analysis of heat transfer performance of twin heated humidity sensor based on Fluent*

YANG Jie1,2, LIU Qing-quan3,4, DAI Wei1,2, GONG Ding-qi3,4

(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,Nanjing 210044,China; 2.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China; 3.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation andSignal Processing,Nanjing 210044,China; 4.School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China)

Twin heated humidity sensor can achieve continuous detection of atmospheric humidity.Hydrometeors like liquid,ice crystals will cover on the surface of twin heated humidity sensor,which makes it easy to lower measuring precision and response speed.In order to improve measuring precision and response speed,it is necessary to dry the twin heated humidity sensor.Software like Pro/E is used to build 3D model of four kinds of size of twin heated humidity sensor;modular method of ICEM CFD is used to mesh heated twin humidity sensor by which a higher quality of mesh is obtained,calculation time is reduced and calculation precision is improved;Fluent method is used,steady-state analysis has been implemented to simulate interaction of the twin humidity sensors with different spacing,transient analysis has been carried out to simulate charactenstics of heating and cooling time.Two different heating strategies,high-altitude and low-altitude modes, are proposed based on simulation results.

meteorological observations; twin heated humidity sensor; heating strategy; computational fluid dynamics; transient analysis

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0032—04

2014—03—06

國家公益性行業(氣象)科研專項重點項目(GYHY200906037)；國家自然科學基金資助項目(41075026)；江蘇高校優勢學科建設工程(傳感網與現代氣象裝備)項目；江蘇省科技支撐計劃重點項目共同資助項目(BE2011006)

TN 304.93

A

1000—9787(2014)10—0032—04

楊 杰(1987-)，男，江蘇宿遷人，博士研究生，研究方向為探空傳感器技術。