1. Витоки Сенсорної Технології Теплових Потоків
2. Рішення 3D Моделі тепловий витратомір
3. Порівняння Результатів Моделювання з Експериментальними Даними
4. висновок
5. завантажити Дослідження

Розвиток сенсорних технологій, в останні роки, дозволило проводити більш точні вимірювання потоку рідини. Одним з таких пристроїв є теплової датчик потоку. Цей інструмент цінується за простоту своєї конструкції і реалізації, а також за високу ступінь точності. Використовуючи середу COMSOL Multiphysics, група вчених з Кембріджського університету розробили 3D-модель для аналізу динаміки теплового датчика потоку - компонента витратоміра.

Витоки Сенсорної Технології Теплових Потоків

Запропонований Кінгом (LV King) в 1914 році анемометр з ниткою розжарювання (термоанемометр) є першим у своєму роді пристрій здатне вимірювати потік рідини за допомогою теплових датчиків. У Термоанемометр, тонка дріт електрично нагрівається до температури більшої, ніж температура навколишнього середовища. Навколишній потік охолоджує прилад до деякої температури. В силу відомого співвідношення між електричним опором дроту і її температури, швидкість рідини може бути визначена, якщо виміряти опір дроту.

Через свою неміцність, термоанемометри часто не підходять для промислового використання, так як у багатьох випадках застосування на практиці зустрічаються забруднення, які можуть викликати пошкодження цих тендітних пристроїв. Термоанемометри також вважаються інтрузивними пристроями, оскільки датчики не тільки вимірюють властивості потоку, але також порушують його перебіг. Більш життєздатним рішенням в таких випадках є використання теплового витратоміра . Тепловий витратомір є неінтрузівного пристроєм (засобом неруйнівного контролю), т. Е., Він не заважає перебігу потоку. Застосовуючи ті ж принципи, що і його попередник, ці інструменти оснащені кожухом навколо проводів, підвищуючи свою довговічність, а також точність у вимірюванні потоку рідини.

Схематичне зображення теплового витратоміра.

Теплові витратоміри широко використовуються для вимірювань газових потоків в різних додатках: від теплопередачі до хімічних реакцій. Ці інструменти є особливо затребуваними в промисловості через їх простий і надійної конструкції, так як вони не містять ніяких рухомих частин.

Група з Кембриджського університету використовувала програмний пакет COMSOL Multiphysics для розробки 3D-моделі теплових датчиків потоку і аналізу динаміки роботи компонент пристрою. Давайте подивимося, яким чином моделювання дозволило цій групі описати поведінку цього інструменту в будь-яких фізичних умовах.

Рішення 3D Моделі тепловий витратомір

Проект моделі, використовуваної в дослідженні, був заснований на технологіях: кремній на ізоляторі (КНІ), комплементарнаяструктура метал-оксид-напівпровідник (КМОП), МЕМС теплового потоку (silicon on insulator (SOI), complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) MEMS thermal flow) датчик - або, для стислості, КНІ КМОН МЕМС (SOI CMOS MEMS) теплової датчик потоку. Модель складається з контрольної мікросхеми, яка включає в себе п'ять паралельних металевих провідників Полоскова типу. Провідник в центрі, використовується для підвищення температури пристрою до 300 ° С. Всі провідники можна використовувати для визначення температури за допомогою співвідношення між питомим опором металу і абсолютною температурою. Чотирьохпровідну ізмереніеіспользуется для отримання значення опору.

При виготовленні контрольного чіпа, застосовувалася технологія глибокого реактивного іонного травлення задньої поверхні чіпа для видалення кремнієвої підкладки з-під чутливих елементів. Така процедура обробки різко зменшила теплопровідність, що спостерігається у нагрівального елементу, і, як наслідок, значно знизила потужність, необхідну для підвищення температури на бажане значення.

Геометрія теплового датчика потоку. На малюнку зліва схематично показаний поперечний зріз контрольного пристрою, в той час як зображення праворуч показує вид зверху. Зображення належить C. Falco, A. De Luca, S. Sarfraz, and F. Udrea, і взято з їх статті представленої на конференції COMSOL Conference 2014 в Кембриджі.

У своєму аналізі, дослідницька група об'єднала три різних галузі фізики - електричний струм, теплопередача в твердих тілах і ламінарний плин рідини (газів) - для створення мультіфізіческой моделі. Тобто струм зміщення використовується для локального нагрівання компонентів, за допомогою ефекту Джоуля , Після чого надлишок тепла розсіюється в результаті теплопровідності і конвекційного теплообміну.

Порівняння Результатів Моделювання з Експериментальними Даними

Спочатку, датчик потоку був встановлений в нерухомому повітрі. Графік нижче являє собою перевірку співвідношення між потужністю, що розсіюється в нагрівачі і температурою, яку відчувають різні резистори за умови відсутності потоку над поверхнею. Можна помітити, що експериментальні значення і значення, отримані в результаті моделювання, є дзеркальним відображенням один одного.

Порівняння температури всіх резисторів, отримане в результаті моделювання, з експериментальними даними. Зображення належить C.Falco, A. De Luca, S. Sarfraz, and F. Udrea, і взято з з постера представленого на конференції COMSOL Conference 2014 в Кембриджі.

Малюнок нижче представляє повний розподіл температури для значення струму 10 мА.

Розподіл температури в області, в якій. Зображення належить C.Falco, A. De Luca, S. Sarfraz, and F. Udrea, і взято з з постера .

Напруга зсуву на стінці, яке визначається як напруга, яке в'язка рідина надає на стінку, було вибрано для характеристики властивостей рідини. На наступному етапі, група дослідників калібровані датчик, додавши в аналіз рух повітря над чіпом, для різних значень напруги зсуву на стінці. Результати порівняння для трьох значень струму зміщення (6, 8.5, і 10 мА) показали хороше відповідність між температурою резисторів і експериментальними даними для зсувних напружень на стінці.

Графіки, що представляють вихідний сигнал датчика, як функцію напруги зсуву на стінці. Графік зверху (а) показує калориметрический підхід і графік знизу (б) являє собою анемометріческій підхід. Анемометріческій підхід містить вимір змін напруги поперек нагрівача; калориметрический підхід відчуває відмінність (відхилення, зміна) в напрузі на резисторах, які розташовуються симетрично по різні сторони від нагрівача. Зображення належить C. Falco, A. De Luca, S. Sarfraz, and F. Udrea, і взято з їх статті .

висновок

Тут, ми познайомилися з науковими дослідженнями, спрямованими на вивчення поведінки теплових датчиків потоку. Об'єднавши теплопередачу, протікання електричного струму, і ламінарний плин, моделювання дозволяє точно передбачити поведінку датчиків і може бути використано для різних застосувань даної технології, за рахунок зміни геометрії моделі і властивостей матеріалу. Завдяки високій точності і широкого діапазону застосувань, модель теплового датчика потоку служить потужним інструментом для оптимізації конструкції теплових датчиків потоку і більш ефективної розробки прототипів.

завантажити Дослідження

• Відкрити (Вибрати) статтю, презентацію, стендова доповідь і теза доповіді, представлені на COMSOL Conference 2014 Cambridge: " 3D Multiphysics Model ofThermal Flow Sensors "