Статья знакомит с семейством уникальных газовых расходомеров компании Honeywell, не имеющих подвижных частей и предназначенных для измерения массового расхода воздуха и различных газов в бытовой, медицинской и промышленной аппаратуре. Коротко описан принцип действия, характеристики реальных приборов и особенности их применения.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
На практике в большинстве случаев непосредственное измерение больших и средних величин массового расхода воздуха с относительно невысокой точностью производится механическими способами (расходомеры с крыльчаткой). Им присущи малая долговременная стабильность параметров, невозможность измерять очень малые потоки и относительно большие размеры устройств измерителей. Гораздо лучшие результаты дают методы косвенного измерения расхода, основанные на перерасчете сигналов с прецизионных датчиков температуры или абсолютного (дифференциального) давления, определенным образом включенных в газовую магистраль.
Таблица 1 Сравнительные характеристики некоторых датчиков расхода газа Honeywell с милливольтовым выходным сигналом
| Наименование | Диапазон измерения, см3/мин | Калибровочный газ | Выходной сигнал | Uпит,В | Pпотр макс,мВт. | Темп, дрейф смещения, мВ | Повторяемость и гистерезис, % | Максимальное время отклика, с | Tраб, С | Внешний вид |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AWM2100V | ±200 | воздух | 30,0 мВпри 100см3/мин | 8,0… 15,0 | 50,0 | ±0,20 | ±0,35 | 3,0 | -20…+85 | вид 1 |
| AWM2150V | ±30 | воздух | 11,8 при 100см3/мин | 8,0… 15,0 | 50,0 | ±0,20 | ±0,35 | 3,0 | -20…+85 | вид 1 |
| AWM2200V | ±10 мбар | воздух | 20,0 при 5мбар | 8,0…15,0 | 50,0 | ±0,20 | ±0,35 | 3,0 | -20…+85 | вид 1 |
| AWM2300V | ±1000 | воздух | 50,0 при 650 см3 /мин | 8,0…15,0 | 50,0 | ±0,20 | ±1,00 | 3,0 | -20…+85 | вид 1 |
| AWM42150VH | ±25 | азот | 8,50 при 25 см3 мин | 8,0…15,0 | 60,0 | ±0,20 | ±0,35 | 3,0 | -40…+125 | вид 2 |
| AWM42300V | ±1000 | азот | 54,7 при 1000см3/мин | 8,0…15,0 | 60,0 | ±0,20 | ±0,50 | 3,0 | -40…+125 | вид 2 |
| AWM92100V | ±200 | воздух | 77,0 при 200 см3/мин | 8,0…15,0 | 50,0 | ±2,00 | ±0,35 | 3,0 | -20…+85 | вид 3 |
| AWM92200V | ±5 мбар | воздух | 38,0 при 5 мбар | 8,0…15,0 | 50,0 | ±2,00 | ±0,35 | 3,0 | -20…+85 | вид 3 |
Именно косвенный метод измерения массового расхода газа заложен в основу всех датчиков Honeywell. Совершенное владение технологией разработки и производства МЭМС устройств позволило компании создать уникальный микромостовой измерительный элемент, обеспечивающий расходомеры Honeywell быстрым временем отклика, высокой чувствительностью, повторяемостью и очень низким гистерезисом (рис. 1). Чип включает нагревательный элемент и два расположенных по его обе стороны термочувствительных датчика. Эти компоненты выполнены из тонких платиновых пленок, осажденных между двумя слоями нитрида кремния. Путем анизотропного травления нитрида кремния с нижней стороны формируются два моста. Каждый мост включает один температурный сенсор и половину нагревателя. Причем каждый мост может быть определен как для входного, так и для выходного потока газа. Принцип действия этой системы основан на механизме передачи потоком газа относительного количества теплоты над поверхностью измерителя с дальнейшей регистрацией разности температур термодатчиков моста на входе и выходе. Необходимое направление и распределение потока газа над поверхностью измерителя обеспечивает строго определенная внутренняя геометрия измерительной камеры датчика. В процессе работы нагревательный элемент достигает температуры на 160 °С выше, чем окружающая температура. При нулевом потоке газа над поверхностью измерителя выходное напряжение моста равно нулю. В момент же действия потока газа термодатчик, расположенный первым по ходу потока, охлаждается, а термодатчик, что находится на противоположенной стороне, нагревается. В результате происходит разбалансировка и на выходе появляется напряжение, величина и знак которого пропорциональны объему и направлению газа, проходящего в единицу времени через измерительную камеру датчика. Типовая характеристика преобразования датчика с мил-ливольтовым выходом и диапазоном измерения 1 л/мин приведена на рис. 2. Благодаря малым размерам чувствительного элемента, экстремально низкой термической массе и высоким температурным градиентам расходомерам Honeywell свойственны очень малое время отклика (около 1 мс), высокая повторяемость и низкий гистерезис. Поскольку датчики являются соразмерными с пропорциональной методикой измерения, максимальная точность достигается вблизи нулевых потоков. Ввиду очень низкой энергии потребления датчики Honeywell совершенно безопасные устройства. Все эти преимущества плюс компактный дизайн сделали эти приборы пригодными для множества различных применений. В настоящее время расходомеры Honeywell успешно используются как в бытовой, так и медицинской и промышленной аппаратуре. Основные области их применения это:
Рис. 1.Структура чувствительного элемента датчиков расхода газа Honeywell
Рис. 2 Типовая характеристика преобразования датчика с диапазоном 1 л/мин
Таблица 2 Сравнительные характеристики некоторых датчиков расхода гаха Honeywell с нормализованным выходным сигналом
| Наименование | Диапазон измерения, см3/мин | Калибровочный газ | Выходной сигнал | Uпит, В | Pпостр, макс, мВт | Темп, дрейф смещения, мВ | Повторяемость и гистерезис, % | Максимальное время отклика, с | Траб, С | Внешний вид |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AWM3100V | 200 | воздух | 5,0 В при 200 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 60,0 | ±25,0 | ±0,50 | 3,0 | -20…+85 | вид 4 |
| AWM3150V | 30 | воздух | 3,4 В при 25 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 60,0 | ±100,0 | ±1,00 | 3,0 | -20…+85 | вид 4 |
| AWM3200V | +5 мбар | воздух | 5,0 В при 5 мбар | 8,0… 15,0 | 60,0 | ±25,0 | ±0,50 | 3,0 | -20…+85 | вид 4 |
| AWM3300V | + 1000 | воздух | 5,0 В при 1000 см3/мин | 8,0… 15,0 | 60,0 | ±25,0 | ±1,00 | 3,0 | -20…+85 | вид 4 |
| AWM3200CR | +5 мбар | азот | 20,0 мА при 5 мбар | 10,0 | 50,0 | ±2,0 iA | ±0,50 | 60,0 | -20…+85 | вид 4 |
| AWM3201CR | + 1,25 мбар | азот | 20,0 мА при 1,25мбар | 10,0 | 50,0 | ±2,0 iA | ±0,50 | 60,0 | -20…+85 | вид 4 |
| AWM3303V | + 1000 | азот | 5,0 В при 1000см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±0,05 | ±1,00 | 3,0 | -20…+85 | вид 4 |
| AWM43300V | + 1000 | азот | 5,0 В при 1000 см3/мин | 8,0… 15,0 | 60,0 | ±25,0 | ±0,50 | 3,0 | -40…+125 | вид 5 |
| AWM43600V | 6000 | азот | 5,0 в при 6000 см3/мин | 8,0… 15,0 | 75,0 | ±25,0 | ±1,00 | 3,0 | -40…+125 | вид 5 |
| AWM5101VA | 5000 | аргон | 5,0 В при 5000 см3/мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5101VC | 5000 | СО2 | 5,0 В при 5000 см3/мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5101VN | 5000 | азот | 5,0 В при 5000 см3/мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5102VA | 10000 | аргон | 5,0 В при 10000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5102VC | 10000 | CO2 | 5,0 В при 10000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5102VN | 10000 | азот | 5,0 В при 10000см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5103VA | 15000 | аргон | 5,0 В при 15000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5103VC | 15000 | CO2 | 5,0 В при 15000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5103VN | 15000 | азот | 5,0 В при 15000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5104VA | 20000 | аргон | 5,0 В при 20000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5104VC | 20000 | со2 | 5,0 В при 20000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM5104VN | 20000 | азот | 5,0 В при 20000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 100,0 | ±50,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+70 | вид 6 |
| AWM720P1 | 200000 | воздух | 5,0 в при 200000 см3 /мин | 8,0… 15,0 | 60,0 | ±25,0 | ±0,50 | 60,0 | -20…+85 | вид 7 |
- системы вентиляции и кондициони рования;
- системы климат-контроля;
- системы распределения кислорода в больницах;
- аппараты искусственной вентиляции легких;
- газовые хроматографы;
- системы контроля утечки газов.
ТИПЫ ДАТЧИКОВ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ
По степени интеграции все датчики расхода газа Honeywell можно условно разбить на две группы. Это датчики с милливольтовым выходом и датчики с нормализованным выходным сигналом. Первая группа характеризуется, с одной стороны, невысокой стоимостью, а с другой - требует внешние схемы управления нагревателем, питания микромоста и инструментального усилителя сигнала. Здесь следует отметить, что в технической документации на такие приборы всегда приведены простые варианты практической реализации этих схем (рис. 3). В таблице 1 приведены основные технические характеристики датчиков, требующих внешнюю обвязку. Ко второй группе следует отнести полностью интегрированные приборы с нормализованным выходным сигналом. Эти датчики имеют все необходимые встроенные схемы управления и обработки сигнала. Их основные характеристики приведены в таблице 2.
Рис. 3 Измерение больших расходов газа при помощи включения датчика в обводной канал
Как видно из таблиц, верхний предел измерения датчиков Honeywell составляет 200 л/мин. Однако множество приложений требуют измерения значительно больших объемов расхода газа. Для этого можно воспользоваться самым распространенным на практике методом расширения диапазона измерения - это включение датчика в так называемый байпас, то есть обводной канал (рис. 3). В этом случае только часть от общего потока газа проходит через датчик. Величина этого потока определяется байпас-коэффициентом. Однако нужно отметить, что чем меньше этот коэффициент, тем более стабильный и предсказуемый будет выходной сигнал датчика. На сайте компании Honeywell имеется подробная методика проектирования и расчета подобных систем.
Таблица 3 Химическая совместимость с различными газами
| Газ | AWM2000 | AWM3000 | AWM40000 | AWM5000 |
|---|---|---|---|---|
| Воздух | + | + | ||
| Азот | + | + | + | + |
| Кислород | ||||
| Аргон | + | + | + | + |
| Гелии | + при11пит=15В | + приипит=15В | + приипит=15В | + при11пит=15В |
| Водород | + для AWM2100VH, AWM2300VH, AWM42150VH | + для AWM2100VH, AWM2300VH, AWM42150VH | + для AWM2100VH, AWM2300VH, AWM42150VH | + для AWM2100VH, AWM2300VH, AWM42150VH |
| Природный газ | + | + | + | + |
| Закись азота | + | + | + | + |
| Наркотические газы | Только AWM43600V | |||
| Углекислый газ | + | + | + | + |
| Окись азота | + только сухой газ | + только сухой газ | + только сухой газ | + только сухой газ |
| Оксид серы | + только сухой газ | + только сухой газ | + только сухой газ | + только сухой газ |
| Водяной пар | + только не конденсат | + только не конденсат | + только не конденсат | + только не конденсат |
| Аммиак газообразный | + только сухой газ с концентрацией <1% | + только сухой газ с концентрацией <1% | + только сухой газ с концентрацией <1% | + только сухой газ с концентрацией <1% |
| Хлор газообразный | + с концентрацией < 0,1% | + с концентрацией < 0,1% | + с концентрацией < 0,1% | + с концентрацией < 0,1% |
| Сероводород | + с концентрацией < 0,1% | + с концентрацией < 0,1% | + с концентрацией < 0,1% | + с концентрацией < 0,1% |
При эксплуатации датчиков очень важно учитывать химическую совместимость материалов, из которых изготовлены датчики, с газами, расход которых измеряется. Датчики расхода газа Honeywell имеют ограниченное количество контактирующих с внешней средой материалов, среди которых кремний, нитрид кремния, золото, оксид алюминия, эпоксидный уплотнитель, фтор углерод, полиэфир, полиэфирамид и нержавеющая сталь. Использование в конструкции датчика этих относительно химически не активных компонентов позволяет приборам уверенно работать с множеством различных газовых сред при относительной влажности до 95 % (табл. 3).
Вместе с этим необходимо отметить, что использование датчика в запыленных средах может привести к засорению чувствительного элемента частицами пыли и грязи. Это, в свою очередь, может привести к полной деградации характеристик прибора. Поэтому настоятельно рекомендуется применение 5-микронного фильтра на входе.
Более подробную информацию о датчиках компании Honeywell можно найти по адресу http://content.honeywell.com/ sensing/products или запросить у оффициального дистрибьютора компании КОМ-ПЭЛ (www.compel.ru), sensors@compel.ru.