高效气体流量测量

Andries Bosma阐述优化传感器位置和导流设计可以在维持简单生产工艺的同时获得最佳结果。

在要求高精度和成本效益的应用中,测量气体流量是一大难题。近年来的经验表明低温流量传感器优于其他技术。汽车和医疗技术等有苛刻要求的行业已经认识到低温气体流量传感器可以使其产品拥有决定性优势。即使在流速最小时,它们也能保持长期稳定性和高精度,这些传感器非常适用于节约成本和稳定的大规模生产。
应当在气流中的什么位置安装传感器呢?如何在维持简单生产工艺的同时设计导流以获得最佳结果?我们客户的成功应用经验和产品的耐久性测试认证给出了明确答案:大多数时候旁路配置是最好的选择,将传感器安装在直接流中。

气体流量测量方法
测量气体流量的方法有很多:机械体积式、浮球式、压差法、超声波、科氏、磁感应和热流量计量等等。不让气体与传感器接触的计量技术涉及比较昂贵的技术,因此对许多应用不适用。然而在经典的压差法中,滞后效应和膜片疲劳可能导致漂移和缺乏零点精度,因为它利用孔上方的传感器膜片的机械偏转来计量压降。

因此,基于热原理的测量技术得到了广泛应用。其中最简单的是热线风速仪,即气流由一根带热敏电阻的电热丝的冷却率确定。更先进的方法会使用一个加热元件以及至少两个温度传感器,用于测量气体传输的热量(图1)。如果传感器元件集成到一个毫米级的硅芯片,我们称其为 “低温流量传感器”。

图1:低温测量原理

低温流量传感器
低温传感器为许多应用带来了决定性优势。传感器尺寸以及标准化半导体制造工艺可以使产品保持始终如一的高品质。而且由于规模经济效益,单位成本维持在合理水平。与经典的热线风速仪相比,现代传感器元件具有极高的精度,其表面的玻璃涂层还具有耐腐蚀性。所有这些优点对各个行业分支都非常有用。领先行业在过去十年已经利用低温传感器技术来测量气体流量,目前它已经成为汽车、医疗、暖通空调等具有苛刻要求的行业采用的主要传感器。
但是直接与气体接触会对自身带来挑战。流速测量是唯一的选择,这意味着整体流量取决于管道内的速度分布,因此入口条件成为一大关键因素。传感器前的管内弯曲、管内不同类型的表面结构或者流动通道中的角落、边缘位置等因素都会改变测量结果。此外,污染严重的气体流过传感器元件会导致污染问题。
应对这些挑战的好办法就是将传感器芯片安装在旁路位置。孔、文氏管或者限流器可以产生压降,引导一小部分气体通过旁路通道(图2)。
低温流量传感器能保证高精度、重复性和稳定性,特别是在低流速情况下,而精心设计的压降元件可以确保产生的压力差不易受入口条件变化的影响。旁路的攻丝端口设计也很重要。利用惯性效应并尽量减少旁路流量,智能旁路通道设计能确保干净的气流通过传感器芯片。
使用旁路配置还有助于简化制造过程。它使得传感器的气流元件可以被独立铸造和组装。在保证极小生产公差的前提下,最后安装预校准的传感器往往可以省去对整个系统的最终校准。

图2:旁路配置

针对旁路解决方案的优秀设计
如何设计旁路配置来实现预期结果?

限流器
限流器的作用是稍微增加气流阻力,从而产生压力差。从物理上来说这分为两方面。首先,气体与限流器表面的摩擦(与气流平行的表面)导致压降,它会随着流量的增加而增加。
其次,端面及其边缘产生湍流,因此出现压降,与流量增加呈平方关系。在实际应用中,限流器始终是这两者的混合,因此其压力/流量特性总是线性和二次方元件的结合(图3)。

图3:压力/流量特性

哪一个特性起主导作用由限流器设计决定。通常会更偏向于线性特性,因为它可以增加对小流量的灵敏度,稳定零点,并且在高流速下减小压降。因此,经验法则是压降元件应当具有尽可能多的与气流平行的表面,以及尽可能小的横截面面积。
经典的圆形孔不太合适;而蜂窝是理想的结构,但价格昂贵。如图4所示的刀片式排列已被证明是一种简单而有效的设计。使用注射成型就可以轻松生产,其流量/差力压往往更接近线性特性。
 
图4:孔的示意图

旁路通道
由于惯性作用,大部分尘埃粒子会停留在主通道中。一个精心设计的旁路通道甚至可以显著提升这种预期效果。旁路的攻丝端口应朝向反方向,以便于气体反向到达传感器。还需要指出的是攻丝端口附近的导流能保持流量的稳定性和薄片状,从而降低传感器的信号噪声。最后,攻丝端口必须很小,理想直径为0.6毫米(图5)。

图5:旁路通道

入口条件
虽然采用旁路配置的流量测量对入口条件的变化不太敏感,但仍然需要精心设计入口路径。理想情况下,气流元件的上游管道内不应该有尖锐的弯曲或边缘,而且管道直径不能有突然变化。除此之外,主要限流器上游的某些气流阻力(比如筛子)以及直径均匀的管道都有助于稳定湍流及其他不希望出现的影响因素。

选择传感器
只要选择了合适的传感器,旁路的流量测量就成为最可靠、最经济的方法。那些由传感器制造商盛思锐生产的低温差压传感器是最理想的选择,其原因如下。
•其组件很小,有助于维持较小的旁路尺寸,因此减少了流量测量所需的空间。
•基于流量的热差压传感器具有很高灵敏度,而且在零点附近非常稳定。因此,它具有非常广的测量范围(高动态范围或者操作弹性大)。
•尽管是热流量测量方法,但校准传感器后可以测量施加的压差。因此,可以替换传感器而无需重新校准。
•盛思锐提供了针对旁路流量测量的特定温度补偿。
后两个原因带来了进一步的优势。在许多情况下,如果主通道是经过精心设计而且满足特定的生产公差就没有必要对整个系统进行最终校准。事实上传感器经过了压差校准而且具有温度补偿功能,而且现代注射成型技术的公差很小,这意味着在许多情况下对压降元件进行随机测试就足够了。

结论

如果想获得较高的气流测量准确度和重复性,同时维持低成本,那么旁路或压差解决方案通常是最好的选择。与直接流量测量技术相比,它可以减少外部条件的影响,而且显著提高了传感器元件周围气体的清洁度。此外,如果选择热差压传感器(即使在流速最小时也能保持高精度),零点附近的测量结果极为精确。在许多情况下,传感器经过了压差校准而且具有合适的温度补偿功能,因此没有必要对整个系统进行额外校准。

Andries Bosma是瑞士盛思锐公司气流/压力差事业部的产品经理。

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