2. Термическиесенсорыпотокагаза

Введение

Внаучныхисследованиях,промышленности,бытучастоприхо-дитсяиметьделоспотокамижидкостиилигаза.Дляихколичествен-ногоописанияприменяютсяразличныеметодыизмерений–механиче-ские(поперепадудавлений),ультразвуковые,электромагнитные,тепловые.Тепловыеметодыширокоприменяютсяприанализепото-коввгазовыхсредахиисследованияхдвижениягазовилижидкостейвмикроканалах.

Измерениехарактеристикпотокаможетосновыватьсянаразлич-

ныхфизическихэффектах,однакоособыйинтереспредставляютте,которыесовместимыстехнологиеймикросистемнойтехники.Срединихможновыделить:

1. измерениепотокагазаилижидкостипоохлаждениюнагретого

объекта;

2. измерениепотокаповремениперемещениямеждудвумязадан-

нымиточкамитеплового импульса,введенноговпоток.

Вданномпараграфемырассмотримпервыйизупомянутыхэффек-товкакнаиболеераспространенныйиизученный.Построенныенаегоприменениисенсорыимеютмалыегабариты,низкоеэнергопотребле-ние,хорошиестатическиеидинамическиехарактеристики.

Основнойхарактеристикойпотокажидкостиилигазаявляетсяло-

кальнаяскоростьэлементарногообъемасреды

^u^xyzt^{.Черезнееоп-}

ределяетсяобъемныйрасходгаза(далеедлякраткостибудемговоритьтолькоогазе),равныйпроизведениюсреднейскоростиегодвижения^uнаплощадь поперечногосеченияканалаA:

ФАu,

(3.2.1)

гдеФ–объемныйрасходгаза;

u¹_udА–средняяскоростьгаза;

А_А

dА–элементплощадипоперечногосечения.

Собъемнымрасходомтесносвязанмассовыйрасход,представ-ляющийсобоймассугаза,перенесеннуючерезпоперечноесечениеканалазаоднусекунду:

где–плотностьгаза.

MФ, (3.2.2)

Принебольшихскоростяхдвиженияэлементовобъемасреды,чтотипичнодлямикросистемнойтехники,газможнорассматриватьне-сжимаемым,аплотностьгаза–независящейотскоростиегодвиже-ния.Определениескоростигазаспомощьютермическихсенсоровча-щевсегопроисходитпотемпературечувствительногоэлемента(нити),помещенноговпотокгаза.Такиеприборы(термоанемометры)перво-начальнопредставлялисобойтонкуюметаллическуюнитьилиленту,температуракоторойподдерживаласьвышетемпературыпротекавше-гогазаблагодаряджоулевуразогревупостояннымтоком.Позжепоя-вилисьтермоанемометры,созданныенаосноветехнологиимикросис-темнойтехники.

1. Термоанемометры

СМЕТАЛЛИЧЕСКОЙНИТЬЮ

Принципдействиятермоанемометровснагретойметаллическойнитьюсостоитвследующем.Междунагретойнитьюипротекающимгазомвозникаетконвективныйтеплообмен,интенсивностькоторогозависитотскоростидвижениягаза,еготеплопроводностииразноститемпературмеждунитьюигазом.Равновеснаятемпературанити,аследовательно,иеесопротивлениезависятотсоотношениявыделен-нойджоулевойтеплотыискоростигаза,которуюнеобходимоопреде-лить.Такимобразом,измеряясопротивлениенити,можнонайтиискоростьгазавместенахождениянити.

Нитьилиплоскуюленту,еслиизмеренияпроизводятсявпотокежидкости,обыкновенноизготавливаютизвольфрамаилиплатины–материалов,обладающиххорошейпрочностьюивысокимТКС.Джо-улеватеплотаQ,выделяющеесянанитиприпротеканиитока,отво-^{дитсяпутемконвекциивгазеQ}_к^{,черезтеплопроводностьдержателя}

^нитиQ_т

^{итепловоеизлучениеQ}_и^:

QQ_кQ_тQ_и.

Еслитемператураперегреванитинепревышает100С,тотепло-потеряминаизлучениеможнопренебречь.Потеритеплапутемтепло-

проводностиопределяютсясвойствамиматериалаигеометрическими

размерамисамойнитииеедержателя,нонезависятотскоростигаза.Прирациональномвыборедиаметранити(обычноот0,6до10мкм)

этасоставляющаятеплопотерьможетбытьсведенакминимуму.По-этому,полагая,чтотеплообменснитиосуществляетсятолькоконвек-циейвгазе,можнозаписать

^I2R^T^A_н^TT_0^{, (3.2.3)}

^{гдеТ–температуранити;}

Т_0–температурагазавдалиотнити;^–

коэффициенттеплообмена;

А_н–площадьповерхностинити.

Скоростьгазавходитввыражениедлякоэффициентатеплообмена.

Сучетом(1.4.17)коэффициенттеплообменаможетбытьвыраженчерезкритерийНуссельта:

^kNu, (3.2.4)

D

гдевкачествехарактеристическогоразмеранитивыбранеедиа-метрD.

Сучетом(3.2.4),уравнение(3.2.3)можетбытьпереписановформе:

^I2RT

гдеL–длинанити.

^{kLTT}_0

Nu, (3.2.5)

Кнастоящемувременипредложеныразличныеэмпирическиевы-ражениядлякритерияНуссельтавправойчасти(3.2.5),например,формулаКрамера[3.3]:

Nu0,42Pr^0,20,57Pr^0,33Re0,5. (3.2.6)

Здесь^ReиPr–соответственнокритерииРейнольдса(1.4.18)иПран-дтля(1.4.19),вычисленныедлясредней(половинной)температуры

T^TT0.ПосколькучислоРейнольдсаискоростьпотокасвязаны

^п 2

линейно,Re^uD,то(3.2.3)можнопереписатьвформе:

v

Nuabu, (3.2.7)

 

гдеa0,42Pr^0,2;b0,57Pr^{0,33D}

^v

0,5

.

Учитывая(3.2.7),уравнение(3.2.3)получаемвследующемвиде:

R(T)I^2kL(TT_0)abu_. (3.2.8)Уравнение(3.2.8)позволяетпоизмеренномузначениюсопротив-

лениянитииизвестнойтемпературнойзависимости

литьскоростьпотокаu.

RR(T)

опреде-

Втермоанемометрахснагретойнитьюиспользуютсядваосновныхрежимаработы:

1. режимпостоянноготока;

2. режимпостояннойтемпературынити.

Впервомрежимеработыток,протекающийчерезнить,поддержи-ваетсяпостоянным.Приизменениискоростигазаколичествоотводи-

мойтеплотытакжеменяется,чтоимеетследствиемизменениетемпе-ратурынитииеесопротивления.Надинамическиехарактеристикипроцессаизмерениявтакомрежимезаметновлияеттеплоемкостьни-ти,чтопроявляетсявтепловойинерцииизмерений.

Вовторомрежимеработытемпературанитиприизменениискоро-ститечениягазаподдерживаетсяпостояннойпутемизменениявели-чинытокачерезнить.Дляобеспеченияпостоянстватемпературынитьвключаетсяводноизплечсимметричногомоста,вкоторомтриос-тальныеплеча–постоянныерезисторы.Изменениетемпературыпри-водиткизменениюсопротивлениянитиипоявлениюразбалансамос-та,чтоспомощьюусилителясобратнойсвязьюустраняетсяизменениемтокачерезмост.Рольтепловойинерциивтакомрежимеработыоказываетсясущественносниженной.