11. Микросенсоры расхода (газа, жидкости)

Расходуемый газ (жидкость) перемещается по трубе. Для оценки количества проходящего газа микросистемными средствами не пригодны турбины, поршни и прочие устройства, используемые при больших расходах. Чаще всего в МСТ для определения расхода используется измерение отклонения температуры датчика, содержащего нагревательный элемент, которая происходит за счет изменения интенсивности охлаждения при изменении скорости газового потока. Другой прием - измерение перепада давления на некотором участке (базе) в трубе. На рис. 45 показано поперечное сечение микросенсора расхода, находящегося в трубке диаметром 4 мм.

Рис. 45. Поперечное сечение микросенсора с каналом газового потока:

1 - резисторы; 2 - обогреватель; 3 - радиатор и элемент канала газового

потока; 4- газовый поток на входе в трубку; 5 - стенка трубки

В сенсоре находится нагреватель (2) и две пары терморезисторов (1), расположенных слева и справа от нагревателя и включенных в схему моста. Левый резистор охлаждается холодным набегающим на нагреватель датчика потоком, а правый нагревается потоком, подогретым при прохождении над нагревателем. В итоге сигнал, снимаемый с моста пропорционален разности температур левого и правого резисторов, которая зависит от интенсивности охлаждения, т.е. от скорости потока. Радиатор (3) обеспечивает оптимальное распределение температуры вдоль мембраны с резисторами и формирует канал газового потока внутри сенсора.

Некоторые технические сведения:

Датчик изготовлен на подложке из монокристаллического кремния. Рабочая часть (мембрана) имеет размеры 2·1,5мм. Питание моста 3В, потребляемая мощность до 8МВт. Перегрев нагревателя 55°С. Чувствительность соответствует выходному напряжению 0,7В при скорости потока 2,7м/с.

Другой вариант подобного датчика, работающего по аналогичному принципу, приведен на рис. 46.

Рис. 46. Чувствительные элементы КМОП датчиков расхода газового потока:

а) графики распределения температуры вдоль продольной оси чувствительных элементов: 1 - при наличии газового потока; 2 -без газового потока.

б) упрощенное изображение чувствительных элементов КМОП датчиков с мостовой микроструктурой: 3 - направление газового потока; 4 - нагреватель; 5 – термобатарея.

в) с воздушным зазором: 6 - кремний; 7 - диэлектрические слои; 8 - поликремний; 9 – металл.

Отличие здесь в том, что для измерения перепада температур (слева и справа от нагревателя) используют термопары, использующие контакт поликремния и алюминия (5).

На рис. 46а представлено распределение температуры вдоль датчика без газового потока (2) и при его наличии (1): распределение смещается вправо и возникает разность температур на “горячих” слоях термопар (в точках d и u), которая вызывает разные термоЭДС. Эти разности пропорциональны расходу газа:

∆U=Ud-Uu=kN(Td-Tu)

Разница вариантов б и в – чисто конструктивная: во втором отсутствует диэлектрический мостик между нагревателем и горячими слоями термопары (термоизоляция - воздушная). Во втором случае (в) чувствительность получилась вдвое выше , чем в первом (б).

Один из вариантов подачи газа к такому датчику представлены на рис. 47.

Рис. 47. Поперечное сечение устройства для корпусирования чувствительных элементов датчиков расхода газа:

1 - ввод газа; 2 - вывод газа; 3 - акриловый пласти­ковый блок с каналом потока; 4 - плата основания.

Вариант измерений расхода с использованием датчика давления (измерение перепада давления на некоторой базе L вдоль трубы) достаточно очевиден и обычно используется при больших расходах (рис. 48).

N

Р₂Р₁

L

Рис. 48. Измерение расхода газа по перепаду давления

N = K(p₂-p₁).