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:



Достопримечательности и курорты Земли Обетованной

Достопримечательности и курорты Земли Обетова...


Израиль пользуется огромной популярностью среди туристов, ведь кроме того, что эта страна значительным религиозным центром, она омывается еще и тремя морями. Здесь вы сможете культурно обогатиться, вв...


Основы устройства мироздания и сути человека

Основы устройства мироздания и сути человека


Предисловие Как часто нам приходится слышать от мам или бабушек подобные фразы: «не пей холодную воду – горло заболит!», «не сиди на сквозняке – простудишься!», «не ставь горячее в холодильник – ...


Роль спецодежды в современном бизнесе

Роль спецодежды в современном бизнесе


Спецодежда сегодня! Многие задают вопрос: «Для чего нужна спецодежда?». Там где условия труда связаны с риском и сотрудники нуждаются в средствах защиты от экстремальных воздействий рабочей среды, так...


История одной фальсификации, или Как двум английским бабушкам удалось обмануть весь мир и самого сэра Артура Конан Дойля?

История одной фальсификации, или Как двум анг...


История эта произошла давным-давно, когда упомянутые леди были еще девочками-подростками и толком не ведали, что творили. Просто не подозревали, что действия подобного рода квалифицируются Скотланд-Яр...


Верблюжья шерсть

Верблюжья шерсть


Многие люди, которые не могли переносить одежду из искусственных материалов открыли себе прелести верблюжьей шерсти. Они с удивлением обнаружили что изделия из верблюжьей шерсти не вызывают аллергенны...


Опубликовать статью в журнале

Опубликовать статью в журнале


Надо сказать, что в разных советах количество представляемых статей может различаться, но хорошим тоном считается, если у аспиранта за плечами не менее пяти-семи полнотекстовых статей и 3-4 публикации...


Популярное

«Cамовар». Как бы выглядел сценарий русского блокб

Поле для игры в лапту у стен Кремля. Играют бандиты, оборотни в погонах, продажные чиновники и банкиры. Никто не курит. Невдалеке пасутся медведи. Официантки разносят квас, морс и пельмени. Звучит &la...

Психологическое развитие ребенка в 2-3 года

Этот период развития в отношении материнских функций можно рассматривать как целостный. Его особенностью является включение в отношения ребенка с миром ограничений со стороны взрослых. Этот момент в п...

Новинки кино. Что смотреть в выходные 13-14 август

Вторая порция августовских кинопремьер оказалась весьма малочисленной: всего пять фильмов, зато каждый, разве что за исключением прошлогодней южно-корейской драмы, претендует на большие бабки в россий...

Перчатки - предмет первой необходимости или модный

Говорят, что находчивая женщина — это та, которая всегда забывает одну перчатку в доме понравившегося мужчины, чтобы был повод вернуться. Перчатки нужно менять, как… перчатки! Это пр...

Прато – уютный сосед Флоренции

Прато, находящийся  на расстоянии 24 километра от Флоренции, или 20-минутной поездки на поезде, является вторым по величине городом Тосканы. В нём живёт около 220,000 человек, включая второе по в...

Особенности и возможности эксплуатации торгового о

Торговое оборудование и витрины делается преимущественно из металлических заготовок, базой конструкции являются перфорированные стойки и полки. Часто оборудование имеет полимерное покрытие, это позвол...

Как жить, если вы родитель-одиночка? Часть 1

«Свобода выбора все же занимает главенствующее положение по отношению к ответственности» Л. Рон Хаббард Это первая часть из серии статей, основанных на событиях того времени, когда м...

Здоровый сон на подушке из гречихи

Врачи-специалисты с самого раннего возраста рекомендуют обращать внимание на то, как вы спите, ведь именно здоровый сон является источником вашего здоровья, долголетия и профилактики многих заболевани...

Ежик в доме. Что измеряется «еж-часом»?

Иногда, чтобы потешить своих детей, люди берут в свой дом забавного ежа. Но колючий комочек им быстро надоедает, и хозяева возвращают ему свободу. Живая игрушка после жизни в квартире вряд ли смо...

S7 Airlines открыла рейсы из Новосибирска в Самару

S7 Airlines, участник глобального авиационного альянса oneworld®, открыла новые рейсы из Новосибирска в Самару и Уфу с посадкой в Сургуте.   Первый рейс из Новосибирска в Самару состоялся 28...

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.