Датчик расхода газа

Д.В. Зиновьев
ООО «Тепловые микросистемы»

Использование микроэлектронных (МЭМС) датчиков - 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.

Мы связываем ближайшие перспективы термоанемометрии с полупроводниковым терморезистором-микронагревателем нового поколения, разработанным на основе микроэлектронной технологии ООО «Тепловые микросистемы».

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×(T_н-Т_окр) , связывающее мощность (Q), температуру среды и микронагревателя (T_н-Т_окр), а также его площадь (S), содержит лишь один член, не определяемый напрямую – коэффициент теплоотдачи

 

 

 

 

 

a . Поскольку для малых тел он связан с теплопроводностью среды, 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. Результат 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 106 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. 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.
2. 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. Результаты моделирования скорости потока в газовом канале представлены на рис.1.

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 согласно рис.1 составляет 200…300 мкм.

С применением разработанного датчика был изготовлен цифровой прибор измерения массового расхода газа и начато его промышленное производство (рис. 2).

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.