Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Электромагнитные расходомеры




 

(А)

(Б)

Рис. 11.10. Принцип работы электромагнитного расходомера: А — положение электродов перпендикулярно магнитному полю, Б — взаимосвязь между потоком и векторами электрического и магнитного полей

 


Электромагнитные датчики используются для измерения расхода проводящих жидкостей. Их принцип действия базируется на законах электромагнитной ин­дукции Фарадея и Генри (см. раздел 3.4 главы 3). Когда проводник или в данном случае проводящая жидкость пересекает линии магнитного потока, в проводя­щем материале индуцируется э.д.с, пропорциональная скорости ее движения (уравнение (3.37) главы 3). На рис. 11.10 показана трубка, по которой течет то-копроводящая жидкость, помещенная в магнитное поле В. В трубку встроены два электрода для снятия э.д.с, индуцированной в жидкости. Величину э.д.с. можно найти из выражения:


(11.21)

v = е — е' = 2aBv ,

где а — радиус трубки, v — скорость потока, В — вектор магнитной индукции.

При решении уравнений Максвелла было показано, что для случаев когда скорость потока неоднородна в пределах поперечного сечения, но симметрична относительно оси трубки, индуцируемая э.д.с. будет определяться выражением аналогичным (11.21), но с одним отличием: в нем v заменяется на среднюю ско­рость va (уравнение (11.3)

 

(11.22)

где r — расстояние от центра трубки. Уравнение (11.21) можно выразить через объемный расход:


 

(11.23)


Из уравнения (11.23) следует, что напряжение, регистрируемое на электродах, не зависит от профиля потока и удельной проводимости жидкости. При заданной геометрии трубки и известной величине магнитной индукции оно определяется только мгновенным объемным расходом.

Существует два основных способа получения напряжения на электродах. В одном из методов плотность магнитного потока поддерживается постоянной и индуцируемое напряжение также является либо постоянным, либо слабо меняю­щимся сигналом. Один из недостатков этого метода заключается в поляризации электродов из-за протекания по их поверхности хотя и слабого, но однонаправ­ленного тока. Другой недостаток — низкочастотный шум, не позволяющий де­тектировать малые значения расходов.

Существует альтернативный способ возбуждения напряжения на электродах, заключающийся в использовании переменного магнитного поля. В этом случае на электродах индуцируется переменное напряжение (рис. 11.11). Для этого час­тота магнитного поля должна удовлетворять условиям теоремы Найквиста, т.е. она должна быть, по крайней мере, в два раза выше максимальной частоты изме­нения расхода. На практике частота возбуждающего сигнала выбирается в диапа­зоне 100... 1000 Гц.


 

Рис. 11.11.Электромагнитный расходомер с синхронным (фазо-чувствительным) демодулятором

 


Микрорасходомеры

В системах управления производством прецизионных полупроводниковых уст­ройств, химическими и фармацевтическими технологическими процессами, а также при проведении биомедицинских исследований требуются миниатюрные расходомеры. Большинство таких микродатчиков основаны на принципе пере­носа тепла, описанного в разделе 11.3, и изготавливаются на кремниевых под­ложках методами микротехнологий. Почти во всех микрорасходомерах в каче­стве детекторов температуры используются термопары [6], однако термоэлектри­ческие коэффициенты стандартных термоэлементов (см. уравнение (3.91) главы 3), используемых в монолитных ИС (из кремния и алюминия), отличаются от ко­эффициентов традиционных термопар в 10... 100 раз (в меньшую сторону). По­этому результирующие выходные сигналы таких преобразователей обычно очень малы, что требует интеграции усилителей прямо на подложки самих датчиков.


 
Рис. 11.12. Моно­литный газовый расходомер

 


На рис. 11.12 показана конструкция микрорасходомера консольного типа. Толщина многослойной консоли может быть меньше 2 мкм [7]. Консоль подогре­вается со скоростью 26 К/мВт при подаче на встроенный резистор электрическо­го напряжения. Типичная передаточная функция расходомера имеет отрицатель­ный наклон порядка 4 мВ/м/с.

Тепло от датчика отводится тремя способами: за счет теплопроводности че­рез балку консоли, за счет тепловой радиации, подчиняющейся закону Стефана-Больцмана, и через газовый поток h(v):

 

(11.24)

где s — постоянная Стефана-Больцмана, а — площадь поверхности балки, через которую происходит передача тепла в воздух, e — коэффициент излучения повер­хности, a v — скорость потока газа. Из законов сохранения энергии и массы мож­но вывести уравнение теплопередачи, определяющее распределение температур Т(х,у) в потоке газа рядом с поверхностью датчика:


 

(11.25)


где п — плотность газа, с — теплоемкость молекул газа, кg — теплопроводность газа. При условии, что градиент температуры вдали от поверхности датчика при­нимает нулевое значение, решение уравнения (11.25) можно записать в виде [7]:

(11.26)

где V— входное напряжение, В — константа, L длина контакта датчика с газом, а


 
Данные, посчитанные по формуле (11.26), практически совпадают

 


с экспериментальными результатами.

На рис. 11.1 ЗА показана конструкция еще одного микротермоанемометра [8]. В его состав входят две пленки из титана толщиной 0.1 мкм, выполняющие фун­кции и нагревателей, и детекторов температуры. Эти пленки расположены между двумя слоями SiO2 Применение титана обусловлено его высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Микронагреватели подвешены на четы­рех кремниевых перекладинах на расстоянии 20 мкм друг от друга. Сопротивле­ние пленки из титана составляет около 2 кОм. На рис. 11.13Б показана упрощен­ная эквивалентная схема такого термоанемометра вместе с интерфейсом, в кото­ром выходное напряжение D V связано линейной зависимостью с расходом газа.


 

(А)

(Б)

Рис. 11.13. Микротермоанемометр с саморазогревающимися титановыми рези­сторами: А — конструкция датчика, Б — эквивалентная схема датчи­ка с интерфейсом: Ru и Rdсопротивления нагревателей, располо­женных выше и ниже по течению потока [7]

 


На рис. 11.14 показан микрорасходомер, реализованный на основе емкостного датчика давления [9]. Принцип действия такого датчика основан на методе измере­ния скорости потока по перепаду давления, описанного в разделе 11.2. Датчик из­готовлен на кремниевой подложке, для формирования его структуры использовал­ся метод травления с барьерным слоем из дифузионного бора. Газ под давлением Р1 через входное отверстие поступает в корпус датчика. Это же самое давление уста­навливается вокруг кремниевой пластины, включая внешнюю сторону мембраны.


 

Газ проходит во внутреннюю камеру датчика через узкий канал, создающий давлению довольно большое сопротив­ление. В результате давление Р2 внутри камеры будет ниже Рj Таким образом, на мембра­ну действует дифференциаль­ное давление. Тогда расход по­тока можно определить по вы­ражению (11.10).

Рис. 11.14. Конструкция микрорасходомера с ем­костным датчиком давления [9]

Разность давлений опре­деляется емкостным датчиком давления, состоящим из леги­рованной бором p++ кремниевой мембраны, подвешенной над металлической пла­стиной. Перепад давлений приводит к изменению емкости Сx между металличес­кой пластиной и кремниевой структурой. Разрешение такого датчика составляет 1 мторр/фФ, а максимально измеряемое давление — около 4 торр. Полная разре­шающая способность датчика равняется 14-15 разрядам, а точность измерения давления — 9-10 разрядам. При давлении, приблизительно в два раза превышаю­щим максимальный перепад давлений, мембрана может коснуться металличес­кой пластины, что приведет к электрическому замыканию. Чтобы этого не про­изошло, на нижнюю часть мембраны наносится диэлектрический слой. Стеклян­ная подложка служит для механической защиты мембраны от разрушения. В крем­ниевую подложку по стандартной КМОП технологии встраивается электронная схема, позволяющая проводить измерение емкости (см. рис. 5.32 главы 5)




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.