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熱式氣體質(zhì)量流量計的量程比研究
發(fā)布時間:2022-11-18 08:08:10

流量計(流量傳感器)在工業(yè)過程控制,汽車電子、航空航天、生物醫(yī)療、集成電路和科學研究等方面均發(fā)揮著極其重要的作用。由于測量原理、適應(yīng)性和特性的不同,流量計的種類較多,目前應(yīng)用較廣泛的有:電磁流量計、差壓式流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、質(zhì)量流量計以及熱式氣體質(zhì)量流量計。熱式氣體質(zhì)量流量計基于對流傳熱原理,對目標介質(zhì)的質(zhì)量流量進行精確測量,相比其他類型的流量計具有靈敏度高、體積小及寬量程比等特點。隨著精細化工、高端半導體等產(chǎn)業(yè)發(fā)展,要求流量計可以在更寬的測量范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,即要求流量計具有更寬的量程比,熱式流量檢測成為最有可能的解決方案之一。

早在上世紀末,熱式氣體流量計研究的諸多企業(yè)就對量程比這一關(guān)鍵性能指標進行了優(yōu)化和改進。如美國Kurz公司團隊通過優(yōu)化傳感器特性,將其流量計量程比提升至1000:1,相對誤差為1%。為了進一步擴大氣體流量傳感器檢測的范圍,同時保持較高的測量精度,眾多的研究者提出各種優(yōu)化流量計量程比的方案。其中,基于MEMS流量傳感器芯片的熱式氣體質(zhì)量流量計方案得益于芯片本身的高信噪比、低功耗、低成本等優(yōu)勢,逐步成為目前的主流方向。

N.A. Djuzhev等學者提出了一個雙模式測量系統(tǒng),熱量模式和風速模式,開發(fā)寬量程氣體流量傳感器。在低流速(流量速度變化從0.05m/s到1m/s),測定風速風向的在高流速(流量速度變化超過1m/s)來衡量流動速度在大范圍從0.05m/s到5m/s,即100:1的量程比且相對誤差為2%。Kang Woong等學者提出的熱電堆流量計中,對流量計的敏感區(qū)域的分布進行了研究,用以擴展測量量程。加熱器與熱電堆之間的距離變化為D/H=0.3、0.5、1和2??蓪崿F(xiàn)5到50L/min 的流量測試,可實現(xiàn)10:1的量程比且相對誤差為2%。Tianxi Zhang,等學者提出了一種利用FBG-EFPI作為溫度計的基于熱線效應(yīng)的流量計。該流量計可實現(xiàn)3000:1的量程比且分辨率為10L/h。

近些年來,隨著MEMS流量傳感器芯片技術(shù)的逐漸成熟,其響應(yīng)快(~1ms)、精度高(~0.01sccm, 標準立方厘米分鐘)、可靠性高(純固態(tài)、無可動部件)等優(yōu)勢異常突出,基于流量芯片的各種流量計也在計量、檢漏、控制、通風等各場合獲得廣泛應(yīng)用。

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