在旁路中高效测量气体流量

作者:Andries Bosma,Sensirion气体流量/差压产品经理

在要求高精度和成本效益兼顾的应用中测量气体流量是一项挑战。近年的经验表明,微热式流量传感器优于其他技术。对技术要求严苛的行业(如汽车和医疗技术行业)已经认识到微热式气体流量传感器为产品带来了决定性优势。即使在流速极小的情况下,微热式气体流量传感器也表现出长期的高稳定性和精度,适用于具成本效益和可靠性的大规模生产。

传感器应放置在气流中的哪个位置?应如何设计气流指南,以便在保持生产过程简单的同时获得最优结果?Sensirion具备与许多客户开发应用的经验,产品通过耐久性检验的认证,我们得出的明确答案是:在大多数情况下,传感器旁路配置比置于直流中更可取。

气体流量测量方法

气体流量的测量方法多种多样,有机械容积式、浮子式、差压式、超声波、科里奥利(coriolis)、磁感应式和热式流量计量等。计量技术实现了气体和传感器之间的无接触测量,但成本相对高昂,许多应用无法实现。而经典的差压法则使用孔口上传感器膜的机械偏转来测量压降,滞后效应和膜疲劳会导致漂移问题和零点精度缺乏。

因此,基于热式原理的测量技术得到广泛应用。其中,在最简单的热线风速计中,可通过带热敏电阻的电加热线的冷却速率来确定流速。先进的测量方法是通过一个加热元件和至少两个温度传感器来测量气体中的热传输(见右图)。当传感器组件集成到毫米级的硅微芯片中,我们便称其为“微热式流量传感器”。

微热式流量传感器

微热式传感器为许多应用带来决定性优势。由于其尺寸小,且采用标准化半导体制造工艺,因此能够以始终如一的高品质进行大规模生产。由于规模经济的作用,单位成本保持适中。与经典的热线风速计相比,现代传感器元件的精度更高,玻璃涂层的耐腐蚀性好。上述所有优势对行业各个分支产生巨大的助力作用。在过去十年中,各领先行业已转用微热式传感器技术进行气体流量测量,微热式传感器作为主导的传感器类型,应用于汽车、医疗和HVAC等要求严苛的领域。

但传感器与气体的直接接触,本身也会带来挑战。微热式流量传感器仅选择性进行流速测量,这意味着对总流量的推断取决于管道中的速度分布,因此入口条件变得至关重要。传感器前方管道弯曲、管道内表面结构类型不同、或流道中的拐角和边角都会改变测量结果。此外,若有重度污染气体流过传感器元件,还可能导致污染问题。  

针对此类挑战,将传感器芯片置于旁路是较好的解决方案。孔板、文丘里管或其他限流器产生压降,引导一小部分气体通过旁路通道(见左图)。虽然微热式流量传感器可确保高精度、可重复性和稳定性,但精心设计的压降元件可确保产生的压差不易受入口条件变化的影响——尤其是在极低流速情况下。旁路分接头的布置也同等重要。智能旁路通道的设计利用惯性效应并最大限度减少旁路流量,将确保流入传感器芯片气流的清洁度。

使用旁路配置也有助于简化制造流程,使流量元件能够独立于传感器进行模制与组装。在生产公差严格的前提下,通过在最后放置预校准的传感器,通常无需对整个系统进行最终校准。

为旁路解决方案提供良好设计

应如何设计旁路配置以达到预期结果?

限流器

限流器的作用是令气流中的阻力略微增加,从而产生压差。从物理角度讲,有两种方式能产生压差。首先,气体和限流器的表面区域(与气体流向平行的表面)之间的摩擦导致压降随气体流动而呈线性增长。其次,端面及其边缘会产生湍流,从而导致压力下降,随气体的流动呈二次方增长。实际上,限流器往往是这两种类型的混合,因此限流器的压力/流量特性往往是线性和二次分量的结合(见右图)。

至于这两种特性哪种占优,则取决于限流器的设计。通常线性特性更为可取,原因是线性特性在低流量情况下增加了灵敏度,稳定了零点,并在高流量情况下降低了压降。  

因此,作为一般的经验法则,压降元件应尽量增加平行于气流的表面暴露,同时尽量减少横截面。传统的圆形孔口不太适合;蜂窝结构是理想选择,但价格昂贵。经证明,叶片排列(如侧图中所示)的设计简单适当,可注塑成型、生产简单、且流量/压差特性趋近线性。

旁路通道

由于惯性,大多数灰尘颗粒留在主通道中。通过良好的旁路通道设计,甚至可以显著提升这种效果。旁路的分流口应朝后,以便气体需要反向到达传感器。我们还注意到,靠近分流口的导流器可保持气流稳定且分层流动,从而降低传感器信号杂波。最后,分流口应较小,理想直径为 0.6 毫米(见右图)。

入口条件

尽管旁路配置的流量测量方法对入口条件变化不太敏感,但仔细设计入口路径仍然重要。理想情况下,管道应直接位于流量元件上游,内部不应有急弯或边角,并且管道直径不应突然发生变化。此外,将某种形式的流动阻力(例如筛网)放置于主限流器上游并均匀分布在管道的整个直径,可以帮助稳定湍流、减缓其他不良影响。

传感器的选择

在正确选用传感器的前提下,在旁路中进行流量测量是最经济可靠的方法。基于多种原因,以传感器制造商 Sensirion为代表制造的微热式差压传感器是满足各项要求的理想选择。

  • 元件体积小,有助于旁路保持较小尺寸,从而减少流量测量所需空间。
  • 基于流量的热式差压传感器灵敏度高且零点值附近非常稳定。因此可以实现极宽测量范围(高动态范围或高调节比)。
  • 尽管采用热式流量测量法,但传感器为测量施加的差压已经过校准。因此,无需重新校准即可更换和交换传感器。
  • Sensirion提供特定的温度补偿,适用于在旁路中进行流量测量(请参阅文末更多信息)。

后两点进一步阐述了微热式差压传感器的优势。在许多情况下,只要主通道设计良好并满足规定的生产公差,则无需对整个系统进行最终校准。传感器在供应时已经过校准和温度补偿,并且现代注塑成型的公差很小,这意味着在很多情况下仅对压降元件进行随机测试即可。

结论

为在气体流量测量中保持高精度、可重复性和低成本,旁路或差压解决方案通常为最优。与直流测量技术相比,可以减少外界条件的影响,显著提高传感器元件周围气体的清洁度。此外,如果选择即使在低流量情况下也能提供高精度的热式差压传感器,则零点值附近的测量结果将极为精确。在许多情况下,经差压校准并进行适当温度补偿的传感器无需在整个测量范围内进行额外校准。

更多信息

差压传感器质量流量温度补偿简化了旁路配置的气体流量测量过程。通过集成校准,可在整个温度范围内正确测出流量。因此,将差压输出信号转换为质量或体积流量无需进一步温度补偿。用户无需使用多个流量/温度测量点来表征旁路系统的复杂过程。

Related sensors