热式流量测量:适用于实验室分析和工业领域的大流量传感器

作者: Patrick Reith, 产品经理

Sensirion将热式流量测量的应用范围拓宽至实验室分析和工业领域。该公司的研发团队采用创新型设计,成功开发出一款适用于高流速测量的传感器,显著提高了量程,测量流速最高可达1L/min。这家来自瑞士的制造商由此在高精度流量测量的探索中迈入新维度,产品组合进一步扩大。

测量较高流速时,科里奥利质量流量计或超声波流量计的精度极高,但技术成本高、占用空间大,并不适用多数应用。相比之下,桨轮传感器成本低,但准确率无法达到多数应用要求,且无法提供校准输出信号;另外有用户反映,用于测量的桨轮可能会堵塞流量流道,测量过程缺乏可靠性。现今,该款液体流量传感器延续Sensirion一贯的质量标准,可对较高流量进行准确测量;长仅5厘米,重仅7克;适用于实验室分析和工业应用,以极高的性价比弥补了上述缺陷。

巧用钢膜设计,克服热限制

Sensirion的成功有赖于其成熟的操作模式:液体在微型加热元件的作用下,会形成一团微小的“热云”,“热云”随流量产生变形。在加热元件前后设置两个高灵敏度微型传感器,对液体经过加热元件前后的温度分别进行测量。通过两个传感器之间的温度差,能够判断并记录热云的变形情况。该温差值经微型芯片转化,提供完全校准的线性化信号。为了不干扰流量及避免液体对传感器芯片产生影响,Sensirion将微传感器芯片置于流道外侧,即通过流道壁实现流速的测量,也就是说,加热器的热量传递及两个温度传感器的信号输出都将通过膜来实现。这意味着膜的热特性将极大影响传感器性能。

Sensirion LD20-2600B液体流量传感器最高量程可达1000 mL/h,采用聚合物膜,热导率、热容量及传热系数都很低。而如需测量较大流量,则必须将热量更有效地传递至流道。为此,Sensirion研发团队在SLF3x系列产品中采用钢膜。与聚合物膜相比,钢膜的特性曲线更为平缓(见下图),在SLF3S-1300F产品中,测量范围扩大至65 mL/min,流速范围也有所拓宽。该系列最新产品SLF3S-4000B对流体动力特性进一步优化,可测流速高达1000 mL/min,在流量测量领域开启全新维度。

巧用W形流道横截面设计,克服流体动力限制

层流是实现热式测量的先决条件,防止各液体层在流动中相互混合;旋流或湍流都会干扰温度曲线,造成传感器信号失真。其中一个重要指标是雷诺数(Re),该指标通过流道直径、流量、密度及流体的动力黏性系数表征流动情况。雷诺数不超过ca. 2300则为层流,超过ca. 2300则为湍流。一般情况下,流体低速流动时呈现为层流,而将仪器(如液体流量控制器或传感器)安装在流道中则会导致湍流。

为对大流量实现精准测量,一是提高流速,再是扩大流道横截面。然而,两者都会导致雷诺数增大,进而可能导致湍流。为突破流体动力限制,在开发该款创新型大流量传感器时,Sensirion的工程师团队在流道的设计中加入巧思:将新产品的流道布置为W形。如此一来,便可将MEMS芯片置于流道较窄侧(层流),从而真正发挥其测量性能。

巧用物理建模,进一步控制干扰因素

在该款创新型大流量传感器的开发过程中,Sensirion研发团队发现,与传统圆截面的传感器相比,某些干扰性因素对W形截面传感器的测量精度影响更大。譬如,流体温度会对测量值产生较大影响,流体温度不仅会改变热特性,有时还会影响流体动力特性(流体的导热性取决于温度)。例如,粘度会随流体升温而降低,从而对W形分布的传感器测量值(雷诺数)产生较大影响。

因此,即使克服热限制和流体动力限制,仍难以创造理想的测量环境。为在计算流速时考虑到更多干扰因素,Sensirion在内部校准中纳入物理模型,确保传感器在多种条件下都能精准可靠地运行。

独家供应全方位产品组合

创新型SLF3S-4000B高流量传感器的成功开发,标志着Sensirion进入测量领域的新维度,测量范围从nL/min扩大至L/min,实现质的飞跃。论外观与材质,SLF3S-4000B与SLF3x系列现有的三款流量传感器别无二致,但SLF3S-4000B拥有几大优势:用户可以继续使用现有的电缆或软件进行读数,无需额外定制,因此无需对软件进行重新编程;提供全面的液体流量传感器组合,用户可从自动化解决方案和流体系统专家Sensiron处获取一站式传感器技术。但我们的旅程才刚开始:Sensirion研发团队希望继续在流量测量领域进行探索,进一步提升标准,并设下新的目标:最高流速达到20L/min。初步的实地研究已在计划中。

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