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

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

В данной статье даны 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 (микроэлектромеханические системы) 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 объемного/массового расхода, в некоторых случаях именуемые датчиками скорости потока или дифференциального давления жидкостей или газов в трубопроводе. Все эти параметры выбирают для прямого или косвенного измерения расхода посредством датчиков.

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

Q = S×v,

где Q — объемный расход; S — поперечное сечение трубы; v — скорость потока.

Таким образом, для измерений (вычислений) расхода необходимо измерять объем 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 счетными механизмами. Впуск и выпуск жидкости или газа в механических расходомерах вызывает перемещение подвижных частей, механически (например, через червячный редуктор) приводящих в действие счетный механизм.

Примеры популярных механических технологий расходомеров включают:

• Объемные, или камерные расходомеры [1]:
  • мембранный расходомер;
  • ротационные расходомеры.
• Турбинные расходомеры — следующая разновидность камерных счетчиков или самостоятельный тип.
• Лопастные расходомеры.
• Дифференциальные расходомеры или расходомеры на основе перепада давления.
• Поплавковые ротаметры.

Электронные технологии расходомеров включают:

• магнитные;
• электромагнитные;
• импульсные;
• вихревые;
• ламинарные (ламинарного потока);
• мишенные (с мишенью);
• ультразвуковые;
• оптические или лазерные;
• кориолисовы;
• тепловые или термоанемометрические технологии;
• МЭМС.

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

Примером может послужить мембранный расходомер — один из наиболее распространенных типов современных газовых счетчиков, основанный на попеременном перемещении мембран при впуске и выпуске флюида в камеру и приведении в действие счетного механизма через рычажную и редукторную систему. Газовые счетчики мембранного типа, в частности, являются достаточно точными, сравнительно недорогими и, несмотря на массовый выпуск электронных аналогов, все еще актуальными для ряда отраслей промышленности.

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

В принципе, любая из механических технологий 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 микроразмерными, изготавливаются по технологии полупроводникового производства и легко интегрируются с интегральными микросхемами ASIC, МК, интерфейсами, а также в беспроводные архитектуры и сети.

Технология микроэлектромеханических систем тоже не может считаться чисто электронной — она включает механические элементы, полости и балки, как и другие новые технологии, предусматривающие наличие не только микро-, но и макроразмерных механических элементов и компонентов, характеризующихся макроперемещениями. Но в отличие от технологий, использующих макроразмерные компоненты, МЭМС — это решение, полностью заключенное 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, около двух лет позиционируемая на рынке. За это время в линейку датчиков, изначально разработанных только для промышленных систем, были добавлены новые версии для применения в медицинской и бытовой электронной технике, рассчитанные как на самые низкие, так и на максимально высокие диапазоны расхода. Сейчас линейка расходомеров Honeywell Zephyr содержит 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 исчерпывающие, полносистемные, недорогие и практически готовые продукты для реализации различных стандартных задач и воплощения уникальных клиентских идей.

Другие новые электронные технологии (не относящиеся к МЭМС) также достаточно перспективны, но уровень зрелости или цена технологии не допускает их широкого распространения. Например, ультразвуковые и кориолисовы расходомеры довольно дороги, другие, такие как оптические или лазерные, не подходят для чистых сред или сравнительно сырые.

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 датчика 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 загрязненных 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 использует тепловой или термоанемометрический метод, основанный на определении разницы температур в измеряемом потоке газа. К настоящему времени тепловая технология пережила эволюцию от объемных проволочных до тонкопленочных нагревателей, объединенных с пленочными термодатчиками или термопарами, и достигла уровня исполнения в виде МЭМС. Тепловыми технологиями газовых расходомеров располагают фирмы Bosch, Omron, Memsic, Honeywell и другие [2, 3, 4, 5, 6]. Предпочтение ведущими производителями тепловой технологии легко объяснить.

Конструкция типичного теплового МЭМС-датчика представляет собой подложку с вытравленной полостью (канавкой), над которой размещен пленочный нагреватель. На рис. 1 показан термоанемометрический МЭМС-датчик Honeywell.

Рис. 1. Термоанемометрический МЭМС-датчик Honeywell:
а) топология кристалла;
б) поперечное сечение кристалла;
в) внешние виды закорпусированного устройства с различными стилями исполнения корпусов и портов

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. Пленочные 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 задается 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 расчете 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 конкретном использовании.

Например, в медицинском применении 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.

Рис. 2. Применение газового расходомера в анестезиологическом аппарате

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 перерасчет 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, есть и в линейке Zephyr Honeywell. Впервые компанией была выпущена линейка аналоговых и цифровых датчиков Zephyr с расчетом 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 измеряемый диапазон, 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, составляющее 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 лучше ±1%. О точности датчика можно судить по заявленным цифрам в спецификации прямо или косвенно. Так, 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, подчеркнутой 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, причем 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 +25 °C; точность TEB — это характеристика, также учитывающая влияние температуры в полностью скомпенсированном рабочем диапазоне.

Рабочая температура датчиков — следующий ключевой параметр для согласования.

Диапазон рабочих температур датчиков расхода серии Zephyr Honeywell составляет –20…+70 °C, скомпенсированный температурный диапазон 0…+50 °C, 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 значение, указанное в спецификации. 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 столь важен в одних системах, но чрезвычайно актуален в других, в частности, 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, способного 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 предыдущих публикациях [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 следует определить 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.

Рис. 3. Эволюция датчиков расхода газа Honeywell с различной степенью интеграции схемы управления:
максимальный уровень интеграции — в линейке Zephyr

Актуальная на сегодня 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 все-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 надежности тепловой технологии МЭМС: она является высоконадежной ввиду полного отсутствия движущихся частей, а устройства на ее основе — практически вечными.

Итоговый шаг. Сравнение подходящих моделей, расчет системной цены

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

• вопрос в отношении важности тех опций, за которые есть смысл «переплачивать» поставщикам других технологий — например, при необходимости детектирования загрязненного или агрессивного газа (датчики Zephyr предназначены в том числе для сухих незагрязненных и неагрессивных газов);
• вопрос о важности второстепенных опций для своего применения;
• 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, надежностью, минимальным числом компонентов для самостоятельного добавления, низким 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.