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, www.tmems.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

Автор статьи: неизвестный | Дата публикации: 01:04 25.03.2017 Artselena.Ru




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

Введите символы с картинки:



Букмекерские конторы онлайн в Рунете – каковы особенности и перспективы?

Букмекерские конторы онлайн в Рунете – каковы...


После того, как казино во многих странах постсоветского пространства оказались под запретом, поклонники здорового азарта обратили своё внимание на возможность удалённо делать ставки на спортивные собы...


Какие компоненты содержатся в натуральной косметике?

Какие компоненты содержатся в натуральной кос...


Чтобы выбрать косметическое средство, необходимо знать, из каких компонентов оно произведено. Если речь идет о натуральной косметике, то в зависимости от назначения косметического средства, их можно р...


Как не ошибиться при взятии кредита?

Как не ошибиться при взятии кредита?


Если нужен кредит на большую сумму, и вы хотите сэкономить значительную сумму при разнице в условиях предоставления займа различными банками, то в таком случае вам поможет кредитный брокер - посредник...


Вкусные рецепты: Шоколадно-пряное Сабле, соус из тунца и петрушки, Горячие бутерброды с консервированной горбушей

Вкусные рецепты: Шоколадно-пряное Сабле, соус...


Шоколадно-пряное СаблеСливочное масло взбить с пудрой добела, постепенно ввести яйцо.Взбить. Ввести просеянные какао, пряности, пшеничную муку вымешать в однородную массу. В конце вмешиваем рубленный ...


Рецепт приготовления хвороста

Рецепт приготовления хвороста


Если вы думаете, что хворост – это только ветки для растопки печи, то вы ошибаетесь. Хворост – это еще и вкуснейшее печенье, которое любят и дети, и взрослые. Готовить его очень просто, любая хозяйка ...


Как приготовить рулет из свинины с черносливом?

Как приготовить рулет из свинины с черносливо...


Свинина, запеченная в духовке, в любом случае — ароматная и вкусная еда. А если еще и немного повыпендриваться и чем-нибудь нафаршировать свинину, то можно совершенно незаметно для себя соз...


Популярное

«Железная хватка». Благодаря кому живет жанр весте

Вестерн — это, фактически, единственный жанр кинематографа, рассказывающий истории на все времена, жестко закованные в тесные рамки декораций и поведенческих канонов конкретного историческо...

Вкусные рецепты: Чукор - турецкий бурек, Бараний ш

Чукор - турецкий бурекЛук обжарить. Все другие компоненты положить в процессор и пюрировать до гладкой массы. Добавить лук. Тесто разделить на широкие полоски. На середину положить вдоль полоски начин...

Полёты на Луну: а почему они прекратились?

Один мой хороший приятель заявил мне, что прекращение полётов людей на Луну связано с инопланетянами. Сторонников этой теории не так уж и мало. Из некоторых источников известно даже, что в 1972 году н...

Можно ли вылечить миому – с помощью трав – подробн

НАРОДНАЯ МЕДИЦИНА – ШАНС ВЫЛЕЧИТЬ МИОМУ МАТКИ Вылечить миому матки, по признанию самих врачей, невозможно. Можно только замедлить ее рост гормонами или удалить, при этом часто вместе с самой мат...

Есть ли смысл обращаться к кредитным брокерам

На данный момент что касаемо работы кредитных брокеров могу сказать что прошел через ряд организаций которые занимаются помощью в получении кредита. Проанализировав десять организаций пришел к выв...

Вкусные рецепты: Суп-пюре из тыквы с мятой, Свекла

Суп-пюре из тыквы с мятойТыкву и морковь очистить, нарезать произвольно. Вскипятить воду (воды нужно столько, чтобы покрыла овощи). В кипящую воду выложить все овощи и коренья, посолить. Когда овощи п...

Грязезащита, которая прижилась

О защите помещений от грязи чаще всего вспоминают в сезон активной непогоды, то есть когда на улице идёт дождь или падает снег. Именно в эту пору на полу в помещении появляется много грязных следов, к...

Применение противозачаточного пластыря

В современной медицине существует много методов предупреждения нежелательной беременности. Однако в последнее время женщины все чаще предпочитают использовать в этих целях довольно молодой вид контрац...

От объектива до интерьера

Фотография – это язык, который понятен в любой точке мира, это способ преодоления небытия. Фотография это особый мир, который  посредством света и тени, красок и полутонов рассказывает нам удивит...

S7 Airlines открыла рейс из Самары в Новосибирск

S7 Airlines, участник глобального авиационного альянса oneworld®, открыла новый рейс из Самары в Новосибирск и обратно с посадкой в Сургуте. Первый рейс из Самары в Новосибирск вылетел сегодня, 2...

Развивая портал:

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.