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:



Кто создал знаменитый образ графа Дракулы?

Кто создал знаменитый образ графа Дракулы?


Сейчас много пишут о том, что настоящий Дракула был не вампиром, а господарем валашского государства. Звали этого человека Влад III Дракула Тепеш. Он происходил из рода Дракул, что в переводе означает...


Воронины XXX. Часть 6

Воронины XXX. Часть 6


У Верочки сегодня было замечательное настроение, Костя опять уехал в командировку, Галина Ивановна пошла к подруге с ночевкой, детей забрала её мама, а это значит, что им с Николай Петровичем никто не...


Что делать, если перегревается ноутбук?

Что делать, если перегревается ноутбук?


Известно, что перегревание ноутбука может вызвать его поломку, а то и полный отказ. Еще раньше, во времена лэптопов с процессорами Pentium 1, 2, 3, 4 ходили слухи, как у кого-то чуть было не загорелся...


Установка деревянных  окон зимой

Установка деревянных окон зимой


Связано это заблуждение с тем, что, во-первых, в морозную погоду в процессе демонтажа старых окон сильно выстудится помещение, а во-вторых, многие считают, что в зимнее время невозможно сделать качест...


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...


Фильмы Рейха и СССР

Фильмы Рейха и СССР


Самыми известными кинокартинами режиссера Лени Рифеншталь стали «Триумф воли» 1935 года и «Олимпия» 1938 года. Если «Олимпия» предполагал собой документальный рассказ об Олимпийских играх (1936), прох...


Популярное

Полезные свойства фенхеля

У фенхеля обыкновенного несколько имен: часто в аптеке у фармацевта спрашивают укроп аптечный, а в народе величают сладким или волошским укропом. Действительно, это родственное сельдерею растение с ан...

Красивые густые волосы. Достижима ли мечта?

Во все времена одним из главных украшений женщины считались хорошие волосы. В период первобытнообщинного строя здоровые женские волосы являлись еще и признаком хорошей пригодности к выполнению функции...

Дети - невыносимые! Кто виноват?

В наши дни часто приходится слышать высказывания, что «дети нынче пошли невыносимые, а вот в наше время»… Причем многие обвиняют в этом телевизор. Проблема суицида среди подростков...

Google рассказала о будущем интернет-рекламы

Представители Google сделали прогноз о том, какие изменения ожидают рынок интернет-рекламы в ближайшие пять лет. Представители Google, выступая на конференции IAB в Нью-Йорке, рассказали о перспектива...

Где и как живёт сова?

Ночь. Отправились на отдых большие и маленькие птицы. Из уютного уголка леса с дуплистого дерева вылетела сова — ночная хищница. Медленно и совсем беззвучно летит она над землей, прислушива...

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...

Декоративные решётки для батарей отопления

Новым элементом в создании современного интерьера является применение декоративных экранов на батареи отопления. Отпала необходимость прятать устаревшие батареи в стену, закрывать их мебелью или пытат...

Каламистры, цирюльники, брадобреи, стилисты... Ско

В XIX веке в Европе правит новый класс — буржуазия, и с этого времени тон в мире моды задает Вена. В прическах появляется совершенно новый стиль — «бидермейер». Для ...

Якутия. Что нужно знать тому, кто едет сюда впервы

До сих пор не могу без смеха вспомнить историю о том, как мы внаглую обманывали преподавателей в университете. Будучи студентами и отправляясь на каникулы между семестрами домой, мы приходили в учебну...

Кризис в строительной области – как результат миро

Мы с вами живем в мире, который очень сильно глобализирован и взаимозависим. Все процессы, происходящие в мировом масштабе, в той или иной мере отражаться на нас. Не замедлила сказаться на банковском ...

О информационном 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.