задать вопрос консультанту online
Логотип компании ЭЛТЕХ

МЭМС или не МЭМС? И другие вопросы выбора и применения газовых расходомеров на примере линейки Zephyr Honeywell

09.06.2015

Статья опубликована в журнале Компоненты и технологии №1 2015 г.

автор - Светлана Сысоева

Расходомеры — это приборы для измерения массового расхода, скорости потока или дифференциального давления жидкостей или газов в трубопроводе. Современное поколение приборов данного типа представляет собой электронные расходомеры, которые способны обеспечить более точный учёт количества потребления жидкостей или газов и более высокую точность измерения параметров потоков, а также высокое быстродействие.

На рынке представлены десятки различных вариантов, типов и технологий  расходомеров. Эти приборы имеют самые различные характеристики, которые одинаково объявляются их производителями высокими, а выбор и применение расходомеров становится для ряда заказчиков становится реальной проблемой.

В данной статье даются ответы на ключевые вопросы, возникающие при выборе и применении газовых расходомеров, рассматриваются основные типы датчиков расхода газа и  приводятся основные соображения, которыми следует руководствоваться при выборе и интеграции расходомера. В качестве примера для иллюстрации выбрана линейка МЭМС датчиков газа Honeywell — как исчерпывающее решение, подходящее для промышленных и медицинских систем, высоких и низких расходов, удовлетворяющее типичным требованиям в отношении измеряемых сред, характеристик, электрического интерфейса, механического корпусирования и доступности широкого набора опций.

Типы и технологии расходомеров

Расходомеры нового поколения представляют собой датчики для измерения объёмного/массового расхода, в некоторых случаях именуемые датчиками скорости потока или дифференциального давления жидкостей или газов в трубопроводе. Все эти параметры выбираются для прямого или косвенного измерения расхода посредством датчиков.

 В технике объёмный расход выражается как количество жидкости (газа), протекающее в единицу времени через поперечное сечение, перпендикулярное течению:

Q = S* v,

где Q – объёмный расход, S – поперечное сечение трубы; v – скорость потока.

Таким образом, для измерений (вычислений) расхода необходимо измерять V или S и v. [1].

Эти простые принципы положены в основу довольно большого разнообразия типов расходомеров.

Прежде всего, расходомеры могут быть категоризованы в два основных типа: механические и электронные [1].

Под механическими обычно понимаются расходомеры, которые не имеют электронного дисплея — например, оборудованные механическими сумматорами как счётными механизмами. Впуск и выпуск жидкости или газа в механических расходомерах вызывает перемещения подвижных частей, механически (например, через червячный редуктор) приводящих в действие счётный механизм.

Примеры популярных механических технологий расходомеров включают: 

  • Объёмные, также известные как камерные расходомеры[1].
    • Мембранный расходомер.
    • Ротационные расходомеры.
  • Турбинные расходомеры — следующая разновидность камерных счётчиков или самостоятельный тип.
  • Лопастные расходомеры
  • Расходомеры на основе дифференциального, или перепада давления.
  • Поплавковые ротаметры.

Электронные технологии расходомеров включают:

  • Магнитные.
  • Электромагнитные
  • Импульсные.
  • Вихревые расходомеры.
  • Ламинарные расходомеры (расходомеры ламинарного потока)
  • Мишенные расходомеры (расходомеры с мишенью)
  • Ультразвуковые расходомеры
  • Оптические или лазерные расходомеры
  • Кориолисовы расходомеры.
  • Тепловая или термоанемометрическая технология.
  • МЭМС.

Электронные технологии датчиков расхода — предпочтительный выбор для нового поколения приборов, но время механических расходомеров ещё не ушло.

Примером может послужить мембранный расходомер - один из наиболее распространённых типов современных газовых счётчиков, который основан на попеременном перемещении мембран при впуске и выпуске флюида в камеру и приведении в действие счётного механизма через рычажную и редукторную систему. Газовые счётчики мембранного типа, например, являются достаточно точными, сравнительно недорогими и, несмотря на массовый выпуск электронных аналогов, всё ещё актуальны для ряда отраслей промышленности.

На самом деле приведенная выше классификация условна, так как любая из так называемых механических технологий уже давно допускает её объединение не только с механическим счётчиком, но и с преобразователем, вырабатывающим электрический сигнал. Например, датчики Холла с крыльчаткой — это одновременно и механическая, и электронная, и магнитная бесконтактная технология.

Любая из механических технологий, в принципе, может  быть реализована по технологии МЭМС.

МЭМС - технология выбора для датчиков расхода газа.

МЭМС — весьма  предпочтительная  для выбора новая технология расходомеров, поскольку все элементы измерительных систем датчиков являются микро-размерными, изготавливаются по технологии полупроводникового производства и легко интегрируются с интегральными микросхемами ASIC, МК, интерфейсами и в беспроводные архитектуры и сети.

Технология микроэлектромеханических систем также не может считаться чисто электронной, поскольку включает механические элементы, полости и балки — также как и другие новые технологии, включающие не только микро-, но и  макроразмерные механические элементы и компоненты, характеризующиеся макро-перемещениями. Но в отличие от технологий, использующих макроразмерные компоненты, МЭМС - это решение,  полностью заключённое в корпус интегрального датчика.

В настоящий момент МЭМС-расходомеры достигли уровня коммерческой зрелости и широко представлены на современном рынке. <Ярким примером является серия МЭМС датчиков   расхода газа Honeywell Zephyr, позиционируемая на рынке порядка 2 лет. За это время в линейку датчиков, изначально разработанных только для промышленных систем, добавились новые версии с расчётом на применения в современной медицинской и бытовой электронной технике, с расчётом как на самые низкие, так и максимально высокие диапазоны расхода. В настоящее время линейка расходомеров Honeywell Zephyr включает широкий набор версий датчиков, которые могут стать решением для актуальных задач измерений расхода газовых сред в промышленных, медицинских и других системах. Линейка расходомеров Honeywell Zephyr — это одновременно исчерпывающее, полное системное, недорогое и практически готовое решение для самых различных стандартных задач и воплощения уникальных клиентских идей.

Другие новые электронные технологии (не относящиеся к МЭМС), также являются достаточно перспективными, но уровень зрелости или цена технологии не допускает их широкого применения. Например, ультразвуковые и кориолисовы расходомеры достаточно дороги, другие, такие как оптические или лазерные, не подходят для чистых сред или являются сравнительно «сырыми».

Впрочем, собственно процесс выбора расходомеров для конкретного применения следует начинать с анализа задачи, в первую очередь - идентификации типа среды,  в отношении которой имеются следующие рекомендации.

Ключевые этапы выбора датчиков расхода газа.

Шаг  первый — анализ задачи/применения: идентификация среды и подбор технологии

В задаче/применении определяющим является тип используемого флюида, для газового расходомера — газа или пара. Ряд технологий может быть отброшен, если обычно используется только для жидкостей — например, магнитные расходомеры рекомендуются для вязких и абразивных жидкостей.

При выборе газовых расходомеров следует придерживаться следующих рекомендаций:

  • Для воздуха — тепловая или термоанемометрическая технология, ротаметры для сжатого воздуха;
  • Для чистых газов - тепловая или термоанемометрическая технология, ротаметры, вихревые расходомеры, датчики дифференциального давления газов, расходомеры ламинарных потоков, турбинные, расходомеры мишенного типа (расходомеры с мишенями), кориолисовы расходомеры.
  • Для загрязнённых газов - вихревые расходомеры, датчики дифференциального давления газов, расходомеры с мишенями, кориолисовы расходомеры.
  • Насыщенный или перегретый пар обычно контролируют вихревые расходомеры или  датчики дифференциального давления.

Большинство датчиков расхода газов сегодня используют тепловой или термоанемометрический метод, основанный на определении разницы температур в измеряемом потоке газа. К настоящему времени тепловая технология пережила эволюцию от объемных  проволочных нагревателей до тонкопленочных нагревателей,  объединённых с плёночными термодатчиками или термопарами, и достигла уровня исполнения в виде МЭМС. Тепловыми технологиями газовых расходомеров располагают фирмы Bosch, Omron, Memsic, Honeywell и другие [2-6]. Предпочтение ведущими производителями тепловой технологии легко объяснить.

Конструкция типичного теплового МЭМС датчика представляет собой подложку с вытравленной полостью (канавкой), над которой размещён плёночный нагреватель. На рис. 1 в качестве показан термоанемометрический МЭМС датчик Honeywell.

 Поток воздуха формирует дифференциальный сигнал с датчиков температуры, пропорциональный скорости потока газа. Датчики температуры — это один из самых простых типов детекторов, в качестве которых могут применяться терморезисторы или термопары. Плёночные терморезисторы легко комбинируются с МЭМС структурой нагревателя и ASIC, размещаемой на этом же или соседнем кристалле в корпусе датчика. Типичный МЭМС датчик расхода закорпусирован в пластиковый корпус, объединяющий МЭМС кристалл с газовой камерой.

Например, в датчиках расхода Honeywell (рис. 1) на кристалле кремния сформированы пленочные нагреватели и два терморезистивных датчика вместе с датчиком температуры среды в газовой камере. Посредством селективного травления  под полосками нагревателя и измерительных терморезисторов удалена область кремния для формирования канавки тоннеля глубиной примерно 120–150 мкм. В результате нагреватель и термодатчики размещены на двух балках шириной 150 мкм и толщиной 8 мкм над вытравленной канавкой. Измеряемый поток газа проходит вдоль тоннеля и обтекает с обеих сторон нагреватель и терморезисторы. Распределение потока газа относительно поверхности расходомера задаётся внутренней геометрией измерительной камеры датчика.

Через измерительную камеру может проходить весь поток газа или только его часть, когда другая часть проходит через байпасный отвод. Байпасный метод измерения расхода газа широко используется на практике для расширения диапазона измеряемого расхода и основан на расчёте соотношения расходов газа по соотношению сечений в измерительном и байпасном каналах.

 

Шаг второй  - анализ ключевых характеристик газовых расходомеров для данного применения

Данный этап начинается с определения вышеупомянутого диапазона измеряемого расхода и соответствующего номинала расходомера, или его пропускной способности.

Первым делом необходимо установить минимальный и максимальный диапазон расхода в данном применении.

Например, в медицинском в аппарате для анестезии (рис. 2) дозированно подаются газовые смеси или аэрозоли для анестезии и наркоза. Аппарат функционирует с низкими и сверхнизкими потоками газов, расход кислорода составляет 50–75 мл/мин.

 

В спецификациях датчиков расхода газа зарубежных производителей используются следующие единицы измерения расхода:

• SLPM (standard liters per minute) — стандартный л/мин.;

• SCCM (standard cubic centimeters per minute) — стандартный см3/мин.

Выполним перерасчёт расхода в мл/мин и получим диапазон 50-75 sccm (1 sccm как раз соответствует 1 мл/мин).

Датчики расхода, рассчитанные на данный диапазон и разработанные специально для подобных применений, могут  быть обнаружены в линейке Zephyr Honeywell. Впервые компанией была выпущена линейка аналоговых и цифровых датчиков Zephyr  с расчётом на диапазон только ±200 SCCM. Затем семейство было дополнено версиями датчиков в диапазонах ±50 SCCM и ±750 SCCM.

Другие примеры сверхнизких и низких расходов от 50 sccm включают список задач по определению утечек газа или определения порогового загрязнения фильтра кондиционеров.

200-1000 SCCM  - это диапазон массового расхода воздуха в системах инжекторных двигателей.

±750 SCCM – это диапазон расхода воздуха, соответствующий, например, промышленным регуляторам расхода. Поскольку датчики двунаправленные, максимальный диапазон составляет не 750 SCCM,  а именно ±750 SCCM.

Стандартные диапазоны расхода датчиков линейки Zephyr составляют: ±50, ±100, ±200, ±400, ±750 SCCM. Возможны заказные клиентские диапазоны.

Важно, что диапазон потоков, который может быть измерен расходомером, должен перекрывать диапазон, который необходимо измерять, что особенно актуально не для малых, а для высоких расходов.

Кроме того, датчик кратковременно способен выдерживать максимальный поток, который для датчиков линейки Zephyr, например, специфицирован в 10 SLPM.  Для расходомеров  Zephyr ограничено также максимально допустимое изменение потока, которое составляет 5,0 SLPM/с.

Диапазон измеряемых расходов — ключевой параметр при выборе расходомера,  являющийся результатом анализа применения. Впрочем, если реальный расход газа превышает максимально допустимый для данного прибора, то любой датчик расхода можно устанавливать в байпасный, или шунтирующий канал. Особенностью термоанемометрической МЭМС технологии Honeywell, реализованной в линейке датчиков Zephyr, является то, что байпас-каналы предлагаются в виде опции, и их не нужно делать самостоятельно.

Точность измерения — следующая ключевая характеристика при выборе датчика расхода. Для расходомеров газа желательна точность лучще ±1%. О точности датчика можно судить по заявленным цифрам в спецификации прямо или косвенно. Например, для датчиков линейки Zephyr специфицирован диапазон суммарной погрешности Total error band (TEB) ±0,25 %FSS (полного диапазона измерения), что является весьма высокой характеристикой, подтверждающей заявленную высокую точность датчика, подчёркнутой названием Zephyr HAF (High Accuracy flow sensor).

Уделяя большое внимание клиентским требованиям в высокоточных устройствах, Honeywell весьма детально специфицирует для датчиков линейки Zephyr  характеристики Accuracy error band и Total error band для каждого из стандартных диапазонов. Особенность датчиков линейки Zephyr – точность обеспечивается не только в пределах высоких диапазонов, но и для высокочувствительных датчиков малых диапазонов.

Точность accuracy датчиков, которую можно извлечь из спецификаций Zephyr — это максимальное отклонение выхода при температуре 25ºС, точность TEB – это характеристика, также учитывающая влияние температуры в полном скомпенсированном рабочем диапазоне.

Рабочая температура датчиков — следующий ключевой параметр для согласования.

Диапазон рабочих температур датчиков расхода серии Zephyr Honeywell составляет -20 °C... 70 °C, скомпенсированный температурный диапазон 0...50ºС, что вполне достаточно для типичных медицинских или ОВК-применений.

При работе с более высокими температурами рабочей среды, например, в промышленных средах, необходимо применение специального охлаждающего радиатора для защиты электронных компонентов расходомеров. Температура окружающей среды с запасом (storage temperature) для датчиков Zephyr составляет -40 ...125 °C.

Максимальное давление также не должно превышать указанное в спецификации значение. Например, для датчиков расхода Zephyr данная цифра составляет 25 psi на 25 °C.

Следующий важный параметр — время отклика, или быстродействие датчика расхода. Данный параметр может быть не так важен в одних системах, но чрезвычайно важен в других, например, в медицинских приборах, поддерживающих жизнь и здоровье пациента. Поэтому принимать решение о включении данного параметра в анализ следует исключительно исходя из задачи. Типичное время отклика датчиков Zephyr специфицировано в 1 мс, что является высоким показателем. Так называемое время warm-up time (время после «прогрева» - от момента подачи питания до первого действительного измерения) специфицировано в 15 мс. При этом важно учесть влияние пневматического интерфейса, могущего замедлить работу датчика. Наличие дополнительных внешних электронных схем в системной архитектуре также может снизить быстродействие.

Специалисты Honeywell добились показателя времени отклика в 1 мс на уровне МЭМС технологии - благодаря малым размерам чувствительного элемента, низкой массе и высоким температурным градиентам. Кроме того, расходомерам Honeywell Zephyr свойственны высокая повторяемость и низкий гистерезис.

Выбор технологического соединения и механического интерфейса означает выбор типа включения в линию, стилей портов, подбор конструкции корпуса, подбор шлангов, штуцеров, ниппелей,  и т. п. На эти и многие другие вопросы можно найти ответы в публикации [6].

Будем полагать, что выбор уже был сделан в пользу электронных, а не механических технологий расходомеров (хотя выбор  механических сумматоров вместо электрической схемы датчика также возможен). Тогда для электронного расходомера также выбирается тип выходного сигнала и электрического интерфейса (аналоговый, цифровой сигнал, диапазон напряжения питания и т. п.). Датчики линейки Zephyr интегрированы со схемой обработки ASIC, которая обеспечивает нормализацию, калибровку и термокомпенсацию измеряемого сигнала, а также представление выходного сигнала в цифровой или аналоговой форме (рис. 3). Эти (в отношении электрического интерфейса) и другие вопросы (например, согласование диапазонов вибрационных воздействий), возникающие при выборе, типичны для любых датчиков, включая расходомеры, и не требуют  специального внимания.

Актуальная на сегодняшний день тенденция — это энергосбережение. Даже если мощность потребления разрабатываемого устройства не важна сегодня, завтра несоответствие данной характеристики рыночным стандартам может стать минусом для конечного потребителя. Впрочем, если выбор всё-таки остановлен на рекомендуемой здесь технологии МЭМС, низкое потребление мощности предлагается автоматически. Датчики Zephyr, выбранные  для демонстрации преимуществ тепловой МЭМС технологии, потребляют 40 мВт при напряжении питания в 3,3 В и 55 мВт при питании от 5 В.

То же самое можно сказать о надёжности тепловой технологии МЭМС: технология является высоконадёжной ввиду полного отсутствия движущихся частей, а устройства на её основе — практически вечными.

 

Итоговый шаг. Сравнение подходящих моделей, расчёт системной цены.

На данном этапе  отбираем все подходящие по параметрам модели датчиков расхода и сравниваем их стоимость, решая для себя следующие вопросы:

1) вопрос в отношении важности тех опций, за которые есть смысл «переплачивать» поставщикам других технологий — например, при необходимости детектирования загрязнённого или агрессивного газа (датчики Zephyr, например, предназначены для сухих незагрязнённых и неагрессивных газов);

2) вопрос о важности второстепенных опций для своего применения;

3)ключевой вопрос: имеет ли выбранное решение перспективу на будущее?

Заключение

В статье были изложены основные соображения, которыми следует руководствоваться  при выборе и эксплуатации газовых расходомеров.

Первым шагом при выборе становится анализ применения вместе с выбором типов и технологий датчиков расхода, подходящих для данной среды/применения, вторым — подбор ключевых характеристик, обеспечивающих решение для данного применения.

Заключительный этап — сравнительный анализ вариантов на предмет соотношения цены/характеристик/перспектив.

Приведенные рекомендации подкреплены примером популярной линейки тепловых (термоанемометрических) датчиков расхода линейки Zephyr Honeywell.

Данная линейка вполне может выступить как универсальный источник решений задач промышленных, бытовых и медицинских применений, так как полностью отвечает рыночному спросу на высокоточные электронные газовые расходомеры в весьма широком диапазоне расхода, отличаясь при этом высоким быстродействием, надёжностью, минимальным числом компонентов для самостоятельного добавления, низкими энергопотреблением и ценой.

Все вместе, эти преимущественные признаки датчиков расхода для ряда применений сегодня может обеспечить представленная выше тепловая технология МЭМС, ярким примером которой на этот раз послужили тепловые (термоанемометрические) датчики расхода линейки Zephyr Honeywell.

 

Литература:

  1. Газовые расходомеры. Принципы измерений расхода и ключевые технологии. http://www.innovationsinsightmag.com/articles/gazovye-rashodomery-principy-izmereniy-rashoda-i-klyuchevye-tehnologii
  2. Сысоева С. С. Новые тенденции и перспективные технологии автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии. Часть 1. Состояние и перспективы рынка датчиков положения, скорости, датчиков концентрации кислорода (газа), массового расхода воздуха и давления, // Компоненты и технологии №7'2006
  3. Сысоева С. С. Новые датчики движения компании MEMSIC. Часть 2. Тепловые измерители расхода газа.
  4. Сысоева С. С. Тепловые МЭМС-датчики расхода Omron. Обзор технологии, продуктов и применений// Компоненты и технологии №8'2014
  5. Сысоева С. С. Тепловые МЭМС датчики компании Omron. Применения для измерений расхода и ИК излучения человека.
  6. Шемякин Сергей. Высокоточные датчики расхода газа семейства Zephyr компании Honeywell. // Компоненты и Технологии, №5'2012


[1]     Измерительные принципы большинства перечисленных в списке механических и электронных расходомеров разъясняются на странице [1].