Д.В. Зінов'єв
ТОВ «Теплові мікросистеми»
Використання мікроелектронних (МЕМС) датчиків - головна лінія розвитку сучасних засобів автоматизації. Впровадженню інтелектуальних датчиків багато в чому сприяє низька вартість (завдяки застосуванню високих технологій при їх виробництві). Разом з тим, ситуація на ринку датчиків витрати газу, теплопровідності і подібних, що використовують в своєму складі прецизійні системи контролю температури підігріву вимірюваного газу, залишається на рівні 20 ... 30-річної давності. Найбільшого поширення в Термоанемометр придбали трьохелементні модулі, що складаються з нагрівача і двох термометрів опору, засновані на вимірі різниці температури газу до і після нагрівання [1]. Перевагою такого модуля є ясний фізичний принцип дії і використання в якості активних елементів традиційних дротяних, а в новітніх конструкціях - тонкоплівкових терморезисторов. Загальним їх недоліком є низький опір терморезисторів, а внаслідок цього перегрів вимірювальним струмом, що знижує точність приладу.
Прагнення мінімізувати розміри модуля, його теплову інерційність і витрата енергії вимагає розміщення модуля всередині вимірюваного потоку, і тому необхідно враховувати газодинамічні особливості, що впливають на теплопередачу. Зокрема, тонкоплівкова конструкція недосконала в газодинамічному відношенні, тому що являє собою майданчик. Умови її обтікання і тепловіддача за рахунок вимушеної конвекції залежать від багатьох чинників: геометрії каналу, розташування щодо ядра потоку, кута атаки, наявності турбулентності і ін. Вимірюється не температура газу, а температура корпусу датчика, що не вносить помилки тільки в стаціонарному режимі. На стабільність вимірювання негативно впливає процес рекристалізації матеріалу терморезисторов - тонкопленочной платини, а також взаємодія його з компонентами вимірюваного газу. Внаслідок цих недоліків, а також складності технології (особливо при використанні замість щодо масивної підкладки багатошарової мембрани з нітриду і оксиду кремнію) комерційний успіх цього варіанту конструкції залишається неясним.
Ми пов'язуємо найближчі перспективи Термоанемометр з напівпровідниковим терморезистором-мікронагревателем нового покоління, розробленим на основі мікроелектронної технології ТОВ «Теплові мікросистеми».
За допомогою експериментів вдалося виявити незвично високу інтенсивність тепловіддачі нагрітими мікрооб'єктами: потужність, віднесена до площі, виявилася на порядок більше, ніж випливає з рівнянь Фур'є-Лапласа для сферичних тіл мікророзмір, нагрітих до тієї ж температури. Рівняння Ньютона-Рихмана:
Наближене рішення інтегро-диференціального рівняння Больцмана дозволило встановити, що в настільки потужному силовому полі молекули газу набувають спрямований рух, яке типово для розріджених газів в режимі, званому вільно молекулярним, або більш образно - балістичним [3]. У перенесенні енергії за цим механізмом при нормальному тиску бере участь в 106 разів більше молекул, ніж при розрідженні, що і спричиняє підвищення теплопровідності (але далеко не в тій же мірі, так як впорядкованість має лише частковий характер). Новий режим має найважливіше практичне значення в Термоанемометр в силу декількох його особливостей.
- Точковий мікронагреватель володіє конвективного стійкістю, тобто його тепловіддача залежить від руху газу менше, ніж у будь-якої традиційної конструкції. Але це не зменшує чутливість до вимушеної конвекції за абсолютним значенням, так як величина тепловіддачі в газ збільшується майже на порядок.
- Мікронагреватель повністю захищений від осідання аерозольних часток в силу ефекту термофорез, яка за умови високого градієнта температури проявляється при нормальному і підвищеному тиску.
Ці гідності реалізуються в датчику витрати газу, причому завдяки функціональної насиченості виявляється досить двох точкових терморезисторов-мікронагревателей, виконаних на одному кристалі. Вихідним сигналом служить різниця потужностей, споживаних для підтримки постійної температури вимірювальним (першим по ходу потоку) і опорним нагрівачами. Завдяки протилежного впливу збільшення швидкості потоку на потужність опорного мікронагревателя і величиною підігріву газу, що йде від вимірювального мікронагревателя до опорного, існує можливість стабілізувати його потужність за рахунок вибору діаметра газового каналу і відстані від нього до вимірювального мікронагревателя. Такий спосіб обчислення витрат дозволяє істотно зменшити залежність показань від змін температури вимірюваного газу. Розрахунок положення мікронагревателей в потоці і відносно один одного проводився програмою, що реалізує метод кінцевих елементів. Результати моделювання швидкості потоку в газовому каналі представлені на рис.1.
При розробці моделі враховувалися крім теплових і газодинамічні особливості теплових микросистем. Згідно аналогії явищ переносу в газах, локальне збільшення теплопровідності поблизу нагрітого мікрооб'єкту вказує на збільшення і інших коефіцієнтів переносу: в'язкості і коефіцієнта дифузії. Збільшення в'язкості було виявлено шляхом вимірювання додаткового гідравлічного місцевого опору, що виникає при включенні мікронагревателя. Холодне повітря проходить через нагріту зону, утворену мікронагревателем, минаючи її в'язку високоградієнтним частина, діаметр якої згідно рис.1 становить 200 ... 300 мкм.
Із застосуванням розробленого датчика був виготовлений цифровий прилад вимірювання масової витрати газу і розпочато його промислове виробництво (рис. 2).
Цифровий вимірювач витрати газу має наступні метрологічні характеристики:
- похибка вимірювання витрати газу становить ± 2% від повної шкали;
- діапазон вимірюваних витрат газу: мінімальний 0 ... 100 мл / хв, максимальний 0 ... 3 л / хв.
НДР і ДКР з даної тематики підтримується фондом сприяння розвитку малих форм підприємств у науково-технічній сфері.
Список літератури
- Кремлівський П.П. Витратоміри і лічильники кількості речовин. // Довідник 4-е изд. Л .: Машинобудування, Ленінградське отделеніе.2002.
- DV Zinoviev, VM Andreev, KA Tuzovsky, DV 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
- Крюков А.П., Левашов В.Ю., Шишкова І.М., Ястребов А.К. Рівняння Больцмана і підходи до його вирішення для інженерної практики // Учеб. посібник для вузів. М .: Видавництво МЕІ, 2005.
- У статті вже перераховані недоліки такого типу вимірювання. Похибка в 2% не відповідає сучасним вимогам. На даний момент вже випускаються ультразвукові датчики, які вважаються найбільш ефективними. Технологія вже відпрацьована і ціна прийнятна. Незрозуміло вказано діапазон: мінімальний 0 ... 100 мл / хв, максимальний 0 ... 3 л / хв. Можливо тут помилка. У кожного датчика витрати існує нижній поріг вимірювання, рівним нулю він ні як не може бути.
- А ДМРВ в авто? Там 2%. А це мільйони штук на рік. Взагалі цитати виглядають як заклинання, а скоріше рекламні слогани. Ви або посередній студент, або пробиваєте свій продукт. Позбавляйтеся від зарозумілості !!
- Будь-які теплові методи вимірювання витрати мають досить велику похибку, але для більшості застосувань цілком достатньо. Використовував сам ЗЕЛЕНОГРАДСК готові модулі для хроматографії та дериватографія - там суміщений вимірювач і регулятор. І чутливий елемент всього один - термоопір, яке ще й виступає в якості нагрівача. А датчики витрати на ультразвуку нормально працюють в основному в рідких середовищах, в газових середовищах і при низьких значеннях витрати - вони не дуже ефективні.
- Чи не правда, газові ультразвукові лічильники вже давно масово випускаються. Вони набагато ефективніше всіх механічних лічильників газу. Прикладом може служити гобой-1, він має похибка вимірювання 1% http://technoline.ru/catalog/43 За першим випробуванням вони довели свою надійність. Велика частина механічних лічильників йде через ремонт, а ультразвукові вже прослужили по два терміни без проблем. Надійність, це дуже важливо. З цієї причини виходять великі недоліки газу, поки вони не виявляться наступного повіркою.
- Згоден з A_l_e_x_ ультразвукові датчики швидкості повітряного потоку використовуються в шахтах для контоль вентиляції і вимірюють швидкість повітря від 0.01 м / сек.
- При ціні понад 1000 гринов це не для широкого вжитку. Знаю хлопців з гірського які роблять витратоміри для шахт, ну це теж не для цілей автоматизації. Ціна приладу повинна бути менше 50 $ точно. Тоді їх можна ставити не обмежуючи себе. Те, що ви обрали для реклами і просуваєте шляхом установки посилань займає нішу штучних (до 100-200 шт на рік) виробів ручної збірки і калібрування. При теперішніх можливостях це минуле століття, тут немає ноу-хау або інновацій. Відповідно немає надії на здешевлення і масовий випуск.
- Я нічого не збираюся рекламувати. Я навів приклад витратоміра, який дешевше і надійніше своїх механічних аналогів. Цей може і не подешевшає, але з'являться конкуренти, які зможуть знизити ціну.
При передруці матеріалів з сайту пряме посилання на РадіоЛоцман обов'язкове.
Запрошуємо авторів статей та перекладів до публікації матеріалів на сторінках сайту.
А ДМРВ в авто?