Цифровой датчик расхода газа

Использование микроэлектронных (МЭМС) датчиков в АСУТП - главная линия развития современных средств автоматизации. Внедрению интеллектуальных датчиков во многом способствует низкая стоимость (благодаря применению высоких технологий при их производстве). Вместе с тем, ситуация на рынке датчиков расхода газа, теплопроводности и подобных, использующих в своем составе прецизионные системы контроля температуры подогрева измеряемого газа, остается на уровне 20…30-летней давности. Наибольшее распространение в термоанемометрии приобрели трехэлементные модули, состоящие из нагревателя и двух термометров сопротивления, основанные на измерении разницы температуры газа до и после нагревания [1]. Достоинством такого модуля является ясный физический принцип действия и использование в качестве активных элементов традиционных проволочных, а в новейших конструкциях – тонкопленочных терморезисторов. Общим их недостатком является низкое сопротивление терморезисторов, а вследствие этого перегрев измерительным током, что снижает точность прибора.
Стремление минимизировать размеры модуля, его тепловую инерционность и расход энергии требует размещения модуля внутри измеряемого потока, и поэтому необходимо учитывать газодинамические особенности, влияющие на теплопередачу. В частности, тонкопленочная конструкция несовершенна в газодинамическом отношении, так как представляет собой площадку. Условия ее обтекания и теплоотдача за счет вынужденной конвекции зависят от многих факторов: геометрии канала, расположения относительно ядра потока, угла атаки, наличия турбулентности и др. Измеряется не температура газа, а температура корпуса датчика, что не вносит ошибки только в стационарном режиме. На стабильность измерения отрицательно влияет процесс рекристаллизации материала терморезисторов – тонкопленочной платины, а также взаимодействие его с компонентами измеряемого газа. Вследствие этих недостатков, а также сложности технологии (особенно при использовании вместо относительно массивной подложки многослойной мембраны из нитрида и оксида кремния) коммерческий успех этого варианта конструкции остается неясным.
Автор связывает ближайшие перспективы термоанемометрии с полупроводниковым терморезистором-микронагревателем нового поколения, разработанным на основе микроэлектронной технологии ООО «Тепловые микросистемы» (г. Зеленоград, artselena.ru).
С помощью экспериментов удалось обнаружить необычно высокую интенсивность теплоотдачи нагретыми микрообъектами: мощность, отнесенная к площади, оказалась на порядок больше, чем следует из уравнений Фурье-Лапласа для сферических тел микроразмеров, нагретых до той же температуры. Уравнение Ньютона-Рихмана: Q= a*S*(Tн-Токр), связывающее мощность (Q), температуру среды и микронагревателя (Токр и Тн), а также его площадь (S), содержит лишь один член, не определяемый напрямую – коэффициент теплоотдачи a. Поскольку для малых тел он связан с теплопроводностью среды J уравнением a=2J/d, где d - толщина теплового пограничного слоя, приходится констатировать возможность локального повышения теплопроводности газа вблизи нагретого точечного источника [2]. Это предположение не затрагивает, естественно, термодинамических параметров: наряду с коэффициентом диффузии и вязкостью теплопроводность отражает лишь механизм переноса энергии и импульса в среде. Чтобы прояснить причину нового размерного эффекта, было выполнено измерение теплового поля, создаваемого микронагревателем. Использовался подвижный точечный терморезистор – термометр сопротивления. Экспериментальные данные свидетельствует о высоком температурном градиенте в окрестностях микронагревателя, среднее значение которого на расстоянии 100 мкм от него составляет около 20000 K/см, а учитывая гиперболическую зависимость Т(R) при R=10 мкм, он достигает 50000 K/см, то есть 2…3 K на одну длину свободного пробега. Отметим, что создать столь высокий градиент в указанном диапазоне температур невозможно иными известными техническими средствами.
Приближенное решение интегро-дифференциального уравнения Больцмана позволило установить, что в столь мощном силовом поле молекулы газа приобретают направленное движение, которое типично для разреженных газов в режиме, называемом свободно молекулярным, или более образно – баллистическим [3]. В переносе энергии по этому механизму при нормальном давлении участвует в 10^6 раз больше молекул, чем при разрежении, что и служит причиной повышения теплопроводности (но далеко не в той же мере, так как упорядоченность имеет лишь частичный характер). Новый режим имеет важнейшее практическое значение в термоанемометрии в силу нескольких его особенностей.
1. Микронагреватель обладает высоким, нетипичным для тепловых приборов быстродействием, что объясняется высоким значением коэффициента теплоотдачи, так как время остывания t=(Cv*V)/(a*S), где: Сv-теплоемкость материала микронагревателя; V-объем микронагревателя; S-площадь поверхности микронагревателя; a - коэффициент теплоотдачи.
2. Точечный микронагреватель обладает конвективной устойчивостью, то есть его теплоотдача зависит от движения газа меньше, чем в любой традиционной конструкции. Но это не уменьшает чувствительность к вынужденной конвекции по абсолютному значению, так как величина теплоотдачи в газ увеличивается почти на порядок.
3. Микронагреватель полностью защищен от оседания аэрозольных частиц в силу эффекта термофореза, которая при условии высокого градиента температуры проявляется при нормальном и повышенном давлении.
Эти достоинства реализуются в датчике расхода газа, причем благодаря функциональной насыщенности оказывается достаточно двух точечных терморезисторов-микронагревателей, выполненных на одном кристалле. Выходным сигналом служит разница мощностей, потребляемых для поддержания постоянной температуры измерительным (первым по ходу потока) и опорным нагревателями. Благодаря противоположному воздействию увеличения скорости потока на мощность опорного микронагревателя и величине подогрева газа, идущего от измерительного микронагревателя к опорному, существует возможность стабилизировать его мощность за счет выбора диаметра газового канала и расстояния от него до измерительного микронагревателя. Такой способ вычисления расхода позволяет существенно уменьшить зависимость показаний от изменений температуры измеряемого газа. Расчет положения микронагревателей в потоке и относительно друг друга производился программой, реализующей метод конечных элементов.
При разработке модели учитывались помимо тепловых и газодинамические особенности тепловых микросистем. Согласно аналогии явлений переноса в газах, локальное увеличение теплопроводности вблизи нагретого микрообъекта указывает на увеличение и других коэффициентов переноса: вязкости и коэффициента диффузии. Увеличение вязкости было обнаружено путем измерения дополнительного гидравлического местного сопротивления, возникающего при включении микронагревателя. Холодный воздух проходит через нагретую зону, образуемую микронагревателем, минуя ее вязкую высокоградиентную часть, диаметр которой составляет 200…300 мкм.
С применением разработанного датчика был изготовлен цифровой прибор измерения массового расхода газа и начато его промышленное производство. Цифровой измеритель расхода газа имеет следующие метрологические характеристики:
- погрешность измерения расхода газа составляет ±2 % от полной шкалы;
- диапазон измеряемых расходов газа: минимальный 0…100 мл/мин, максимальный 0…3л/мин.
НИР и ОКР по данной тематике поддерживается фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Список литературы
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. // Справочник 4-е изд. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение.2002.
2. D.V. Zinoviev, V.M. Andreev, K.A. Tuzovsky, D.V. Loktev. Investigation of microobjects heat transfer. Second International Conference on Transport Phenomena in Micro and Nanodevices. Il Ciocco Hotel and Conference Center, Barga, Italy. June. 2006
3. Крюков А.П., Левашов В.Ю., Шишкова И.Н., Ястребов А.К. Кинетическое уравнение Больцмана и подходы к его решению для инженерной практики // Учеб. пособие для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2005.

ООО Тепловые микросистемы
01:04 25.03.2017



Отзывы и комментарии
Ваше имя (псевдоним):
Проверка на спам:

Введите символы с картинки:



Когда родился первый смайлик?

Когда родился первый смайлик?

Мы в своей жизни умеем выражать разные эмоции, наша мимика очень богата и разнообразна. Общеизвестно, что 80% информации наш собеседник получает через невербальные каналы восприятия: мимику, жесты. О...
Какую воду пьют жители пустыни? Часть 2

Какую воду пьют жители пустыни? Часть 2

ЦПА был не единственным проектом, разработанным для доставки воды из вне для увеличения водоснабжения Тусона. Его отличие от других состоит в том, что он был реализован. Существовали еще другие проект...
Вкусные рецепты: Пирог "Подушки", ШОКОЛАДНЫЙ ПИРОГ, Ягодный дип

Вкусные рецепты: Пирог "Подушки", ШОКОЛАДН...

Пирог "Подушки"Взбить белки с половиной сахара до устойчивой пены. Отдельно взбиваем желтки с оставшимся сахаром.Добавляем масло и воду. Затем осторожно,помешивая ложкой добавляем взбитые белки. Добав...
Габсбурги 2. Максимилиан II - Гугенот или Последний рыцарь?

Габсбурги 2. Максимилиан II - Гугенот или Последний ...

Император Фердинанд Первый за долгую жизнь (а прожил он 59 лет) женился только один раз, на принцессе-наследнице корон Чехии и Венгрии Анне Ягеллонке. Она родила ему 13 детей, из них 10 дочерей. Десят...
Психоэнергетика и гипноз - терапия здоровьем

Психоэнергетика и гипноз - терапия здоровьем

В  XXI столетии  относительно молодая наука – телесно-ориентированная терапия – развивает древние традиции целительства. Этот вид терапии направлен не на проблему либо болезнь в каком-либо...
Капитальный ремонт квартиры

Капитальный ремонт квартиры

Капитальный ремонт квартир можно сравнивать с новым строительством или отделкой строящегося дома. Это не случайно, ведь проводится он в домах и квартирах, где простой переклейки обоев или покраски ст...
Познавательное

За что восставшая Варшава в августе-сентябре 1944

В 1984 году прах этого человека упокоился на сиднейском кладбище Руквуд. В далекой Австралии. За мно...

Какой город в Венгрии «самый средневековый»? Шопро

Небольшой, чуть больше 57 тыс. жителей, город Западно-Задунайского края, что в шести километрах от а...

Всё о теге h1

Здравствуйте, сегодня мы поговорим о теге h1,для чего он? зачем? и как им пользоваться. Тег h1 прида...

Вкусные рецепты: Бутербродный торт с паштетом, ШИФ

Бутербродный торт с паштетомС хлеба срезать корки, придать форму прямоугольника, разрезатьпоперёк на...

Размышления продвинутого родителя после визита к д

Как известно, психологи бывают разные: кто-то занимается развитием личности, а кто-то типа личности....

Вкусные рецепты: Пирожки закусочные к бульону, Пир

Пирожки закусочные к бульонуРазмешайте яйцо, сметану и масло, добавьте муку и замесите тесто. Рассып...

Акулий сомик - что за рыбка?

Миниатюрная акулка плавает у меня в аквариуме. Выпячивает свои огромные глаза, разрезает гладь воды ...

Для кого из актеров и режиссеров летние месяцы 90-

25 августа 2000 года остановилось сердце российского актера театра и кино, сценариста и режиссе...

Как раскрутить блог?

Автор: Андрей Гиацинтов Этот вопрос очень актуален, и задают его себе сотни (или тысячи) более или ...

BenQ G2220HDA Монитор для каждого

Сегодня усредненный монитор уже давно имеет следующие минимально-необходимые параметры – 22-дюймовый...



О портале:

Наш портал является ресурсом, который включает в себя широкий ассортимент полезных и отличных статей. Каждый посетитель найдет для себя что-нибудь полезное. Адаптированный дизайн позволяет вам максимально быстро находить необходимую информацию. Самые разнообразные тематические статьи дают возможность вам совершенствоваться в той или иной сфере. Быть более начитанным и грамотным. Современный дизайн сайта позволяет просматривать статьи на всех существующих планшетах. Теперь найти нужную информацию стало совершенно легко.

Мы собрали для вас познавательные и отличные статьи. У нас сайте вы найдете ответы на интересующие вас вопросы. Простая система поиска позволяет вам в кратчайшие сроки отыскать нужную информацию. Адаптированный дизайн позволяет вам просматривать информацию на абсолютно любых электронных устройствах. Отныне, поиск требуемой информации будет занимать у вас секунды.