اندازه‌گیری های کارآمد جریان گاز در بای‌پس

اندازه‌گیری جریان گاز در صنایعی که نیازمند دقت بالا و بهره‌وری هزینه هستند، یک چالش است. تجربه  سال‌های گذشته نشان داده است که سنسورهای جریان میکروترمال (سنسورهای ریزحرارتی جریان) برتر از دیگر فناوری‌ها هستند. صنایعی که اندازه‌گیری دقیق در آن‌ها بسیار حیاتی است، نظیر فناوری خودروسازی و پزشکی، پی برده‌اند که سنسورهای جریان میکروترمال جریان گاز، مزایایی تعیین‌کننده را به محصولات آنها می‌بخشند. این مزایا عبارتند از

  • دقت و پایداری بلندمدت و بالا، حتی در مواقعی که سرعت جریان گاز پایین است.
  • سنسورها برای تولید انبوه  و مقرون به صرفه، قابل اعتماد و مناسب هستند

دستگاه مانیتورینگ فشار

مکان قرارگیری یک سنسور در جریان گاز کجا باید باشد؟ چگونه باید راهنمای جریان را طراحی کنیم تا به هدف ساده نگه داشتن فرآیند تولید نزدیک شویم؟
تجربه بسیاری از مشتری‌های ما و نتایج تست‌های استقامت که برای گواهی محصول ارائه شده است، به وضوح نشان می‌دهد که در بیشتر مواردپیکربندی بای‌پس از قرار دادن یک سنسور فشار در جریان مستقیم ارجح است.

 

روش‌های اندازه‌گیری جریان گاز

روش‌های مختلف متعددی برای اندازه‌گیری جریان گاز وجود دارند: حجمی مکانیکی، نوع شناور، فشار دیفرانسیلی، التراسونیک، کریولیس(coriolis)، القایی مغناطیسی و اندازه‌گیری حرارتی جریان از جمله این روش‌ها هستند.

تکنیک‌های اندازه‌گیری بدون تماس بین گاز و سنسور، فناوری نسبتا گرانی را می‌طلبد در نتیجه برای بسیاری از کاربردها غیرممکن هستند.

در حالی که در روش کلاسیک فشار دیفرانسیل، اثرات هیسترزیس و خستگی پوسته، می تواند منجر به بروز مشکلات رانش و عدم وجود دقت صفر شود ، زیرا در اینجا از انحراف مکانیکی یک سنسور پوسته بر روی یک دریچه برای سنجش افت فشار استفاده می‌شود.

کنترل فشار اتاق تمیز

در نتیجه، تکنیک‌های اندازه‌گیری مبتنی بر اصول حرارتی، بیشتر متداول است. ساده‌ترین تکنیک این روش،  فشارسنج سیم داغ است که در آن،جریان گاز از طریق سرعت خنک شدن یک سیم دارای مقاومت که توسط جریان برق گرم شده است، تعیین می‌شود.

در  روش‌های پیشرفته، از یک المان حرارتی و حداقل دو سنسور دما استفاده می‌‌شود تا انتقال گرما از طریق گاز را اندازه‌گیری ‌شود (شکل ۱ را ببینید). هنگامی که اجزای سنسور در یک ریزتراشه سیلیکونی در مقیاس میلی‌متر، قرار بگیرد، در اصطلاح  این سنسورها را “سنسورهای جریان میکروترمال” می‌نامیم.

 

تصویر ۱: اصل اندازه‌گیری ریزحرارتی

Heater: گرمکن

Gas flow: جریان گاز

Temperature sensors: سنسورهای دما

Silicon: سیلیکون

سنسورهای جریان میکروترمال

سنسورهای جریان میکروترمال برای بسیاری از کاربردها، مزایای تعیین‌کننده‌ای را به ارمغان می‌آورند. اندازه کوچک این سنسورها و استفاده از فرآیندهای ساخت نیمه‌رساناهای استاندارد شده، باعث می‌شود تولید انبوه آن‌ها با کیفیت بالا، امکان‌پذیر شود.  به خاطر کوچک شدن مقیاس در تولید انبوه، هزینه‌ واحد این سنسور فشار، متعادل باقی می‌ماند. اجزای این سنسور فشار جدید، دقت بهتری نسبت به جریان‌سنج‌های سیم داغ کلاسیک دارند. روکش شیشه‌ای المان سنسور، در مقابل خوردگی مقاوم است. تمامی این مزایا در شاخه‌های مختلف صنعت بسیار مفید هستند. طی دهه اخیر، صنایع پیشرو به استفاده از فناوری سنسورهای جریان میکروترمال برای اندازه‌گیری جریان گاز روی آورده‌اند. اکنون این سنسور فشار متداول‌ترین نوع سنسور است که در کاربردهای حساس خودرویی، پزشکی و HVAC مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تماس مستقیم با گاز می‌تواند خطرات خاص خود را به دنبال داشته باشد. بنابراین اندازه‌گیری سرعت جریان، تنها انتخاب است؛ بدین معنا که برون‌یابی به جریان کلی، به توزیع سرعت در لوله بستگی دارد و در نتیجه شرایط ورودی بسیار مهم است. یک خم در لوله، بلافاصله قبل ازسنسور، انواع مختلف ساختار سطحی در داخل لوله، یا گوشه‌ها و لبه‌ها در گذرگاه جریان، باعث تغییر در اندازه‌گیری خواهند شد. به علاوه، گاز بسیار آلوده‌ای که از روی المان سنسور فشار عبور می‌کند، می‌تواند مشکلات ناشی از خاک‌گرفتگی را باعث شود.

یک راه خوب برای غلبه بر چنین چالش‌هایی، قرار دادن تراشه سنسور در یک بای‌پس است. یک اورفیس، یک ونتوری یا یک محدودساز جریان دیگر، باعث ایجاد یک افت فشار می‌شود که باعث هدایت بخش کوچکی از گاز به درون کانال بای‌پس می‌گردد (تصویر ۲ را ببینید). در حالی که سنسور جریان میکروترمال جریان دقت بالا، قابلیت ساخت یا تولید مجدد و پایداری را تضمین می‌کند بخصوص در مورد سرعت جریان‌های بسیار کم، یک المان افت فشار با طراحی خوب، تضمین می‌کند که فشار دیفرانسیل حاصل، کمتر تحت تاثیر تغییرات شرایط ورودی قرار گیرد. یک مسئله مهم دیگر، آرایش درگاه‌های بارگیری بای‌پس است. با استفاده از اثرات اینرسی و کمینه‌سازی جریان بای‌پس، یک طراحی هوشمند برای کانال بای‌پس، عبور جریان گاز تمیز به طرف تراشه سنسور فشار را تضمین می‌کند.

 

اندازه‌گیری جریان گازتصویر ۲: آرایش بای‌پس

Mainpass: گذر اصلی

Blower: دمنده

Bypass: بای‌پس

Flow restrictor: محدودساز جریان

استفاده از یک آرایش بای‌پس، به ساده‌سازی فرآیند ساخت نیز کمک می‌کند. این امکان را به وجودمی‌آورد که عنصر جریان، به‌طور مستقل از سنسور، ساخته و مونتاژ شود. با فرض این که تلورانس‌های سخت تولید و قرار دادن سنسور فشار قبل از مرحله کالیبره شده در انتها، اغلب می‌توان از کالیبراسیون نهایی کل سیستم چشم‌پوشی نمود.

طراحی خوب برای یک حل بای‌پس

چگونه باید یک بای‌پس به صورت مهندسی  پیکربندی شود تا نتایج مطلوب بدهد؟

 

کنترل فشار اتاق تمیز

 

محدودساز جریان

وظیفه محدودساز جریان، افزایش نسبی مقاومت در جریان گاز است. که نتیجه آن، یک فشار دیفرانسیلی ایجاد می‌شود. از لحاظ فیزیکی، این پدیده به دو صورت رخ می‌دهد. نخست این‌که اصطکاک بین گاز و سطوح محدودساز جریان (سطوح موازی با جریان) منجر به افت فشار می‌شود که به طور خطی با جریان، افزایش می‌یابد. دوم این‌که سطوح انتهایی و لبه‌های آن‌ها، باعث ایجاد آشفتگی و در نتیجه افت فشاری می‌شوند که به طور مربعی با جریان افزایش می‌یابد. در عمل، محدودسازهای جریان، همواره ترکیبی از دو نوع هستند و در نتیجه خصوصیات فشار/ جریان آنها همیشه ترکیبی از مولفه‌های خطی و درجه دوم است (تصویر ۳ را ببینید).

 

تصویر ۳: خصوصیات فشار/ جریان

هر کدام از دو خصوصیت حاکم، با توجه به طرح محدودساز جریان، تعیین می‌شود. معمولا یک خصوصیت خطی ترجیح داده می‌شود؛ زیرا حساسیت در جریان‌های کوچک را افزایش می‌دهد، نقطه صفر را پایدار می‌سازد و افت فشار در جریان‌های بالا را کاهش می‌دهد.

بنابراین به عنوان یک قاعده سرانگشتی کلی، یک عنصر افت فشار باید تا حد ممکن سطحی موازی با جریان گاز داشته باشد و کوچکترین سطح مقطع ممکن را داشته باشد. اورفیس‌های دایره‌ای کوچک برای این کار زیاد مناسب نیستند. ساختارهای لانه زنبوری، ایده‌آل بوده اما گران هستند. ثابت شده است که یک آرایش از پره‌ها (که در تصویر ۴ نشان داده شده است)، یک طرح ساده و مناسب می‌باشد. این آرایش را می‌توان به راحتی با استفاده از قالب‌گیری تزریقی، تولید نمود و ویژگی جریان/ فشار دیفرانسیلی آن تمایل به نزدیک شدن به حالت خطی دارد.

مانیتورینگ فشار اتاق تمیز

 

کانال بای‌پس

به دلیل اینرسی، اکثر ذرات گرد و غبار در کانال اصلی باقی می‌مانند. این اثر نامطلوب را می‌توان با یک طراحی کانال بای‌پس خوب، به طور قابل توجهی بهبود بخشید. درگاه‌های بارگیری بای‌پس باید رو به عقب قرار گیرند تا گاز برای رسیدن به سنسور فشار به عقب برگردد. همچنین پی برده شده است که راهنماهای جریان کنار درگاه‌های بهره‌برداری، جریان را پایدار و چند لایه(laminar) نگه می‌دارند و در نتیجه نویز سیگنال سنسور فشار را کاهش می‌دهند و در نهایت، درگاه‌های بارگیری باید کوچک و در حالت ایده‌آل دارای قطر ۶/۰ میلیمتر باشند (تصویر ۵ را ببینید).

 

 

تصویر ۴: طرح اولیه اورفیس

 

مانیتورینگ فشار اتاق تمیزشرایط ورودی

اگرچه حساسیت اندازه‌گیری جریان با استفاده از یک آرایش بای‌پس، نسبت به تغییرات شرایط ورودی کمتر است، اما طراحی مسیر ورودی با دقت بالا، همچنان اهمیت دارد. در حالت ایده‌آل نباید هیچ خم یا لبه تندی در لوله،  بلافاصله در بالادست المان جریان، وجود داشته باشد و نباید هیچ‌گونه تغییر ناگهانی در قطر لوله وجود داشته باشد. جدای از این، یک نوع مقاومت در برابر جریان (نظیر یک الک) درست در بالای محدودساز جریان اصلی، وجود دارد که جریان را به صورت یکنواخت در قطر لوله توزیع کرده و به پایاسازی آشفتگی و سایر اثرات نامطلوب، کمک نماید.       

انتخاب سنسور

اندازه‌گیری جریان در بای‌پس، با استفاده از یک سنسور فشار مناسب قابل اطمینان‌ترین و مقرون ‌به ‌صرفه‌ترین روش است. سنسورهای جریان میکروترمال فشار دیفرانسیلی که توسط شرکت سازنده سنسور (Sensirion) ساخته شده‌اند، به چندین دلیل ایده‌آل هستند.

 

  • اجزای کوچکی دارند که این موضوع به کوچک نگه داشتن اندازه بای‌پس، کمک می‌کند و در نتیجه فضای موردنیاز برای اندازه‌گیری جریان را کاهش می‌دهد.
  • سنسورهای فشار دیفرانسیل حرارتی مبتنی بر جریان، از حساسیت بالایی برخوردار بوده و در حدود صفر بسیار پایدار هستند.بنابراین می‌توان به یک محدوده اندازه‌گیری بسیار گسترده (دامنه دینامیکی بالا یا نسبت چرخش زیاد) دست یافت.
  • بر خلاف روش حرارتی اندازه‌گیری جریان، سنسورها برای اندازه‌گیری فشار دیفرانسیل اعمالی، کالیبره می‌شوند. در نتیجه سنسورها را می‌توان بدون کالیبراسیون مجدد تعویض نمود.
  • سنسیریون یک جبران‌سازی دمایی خاص را برای اندازه‌گیری جریان در بای‌پس تنظیم می‌نماید (اطلاعات بیشتر را در پایان این مقاله ببینید).

دو نکته آخر یک مزیت دیگر را نیز ارائه می‌کند. در بسیاری از موارد، به شرط آنکه کانال اصلی دارای طراحی خوبی باشد و تلورانس‌های مشخص شده تولید را برآورده سازد، هیچ نیازی به کالیبراسیون نهایی کل سیستم نیست. این واقعیت که سنسورها به صورت کالیبره شده و جبران شده دمایی ارائه می‌شوند و تلورانس‌ها در قالب‌گیری تزریقی نوین کوچک هستند؛ بدان معناست که در بسیاری از موارد آزمایش تصادفی از عنصر افت فشار، کافی خواهد بود.

مانیتورینگ فشار اتاق قرنطینه

 

 جمع‌بندی

برای اندازه‌گیری جریان گاز با یک درجه دقت و تکرارپذیری بالا که هزینه‌ پایینی داشته باشد، یک حل بای‌پس یا فشار دیفرانسیل معمولا مناسب‌ترین گزینه است. در مقایسه با تکنیک‌های مستقیم اندازه‌گیری جریان، اثرات شرایط خارجی را می‌توان کاهش داد و تمیزی گاز اطراف المان سنسور فشار را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. به علاوه، اگر یک سنسور فشار حرارتی دیفرانسیلی را انتخاب نماییم که حتی در حالت کمینه بودن دبی‌های جریان، دقت سطح بالایی را ارائه ‌دهد، اندازه‌گیری‌ها حول نقطه صفر، بسیار دقیق خواهند بود. در بسیاری از موارد، کالیبره نمودن سنسور برای فشار دیفرانسیلی، همراه با یک جبران‌سازی دمایی مناسب، نیاز به کالیبراسیون اضافی بر روی کل محدوده اندازه‌گیری را رفع خواهد نمود.

اطلاعات تکمیلی

در پایان مقاله، اطلاعات تکمیلی زیر را  ارائه می‌دهیم:

  1. سنسور فشار دیفرانسیلی با جبران‌سازی دمایی دبی جرمی

جبران‌سازی دمایی دبی جرمی سنسورهای فشار دیفرانسیلی با استفاده از آرایش بای‌پس، باعث تسهیل اندازه‌گیری جریان گاز می‌شود. کالیبراسیون یکپارچه، به منظور اندازه‌گیری صحیح بر روی کل محدوده دما اجرا می‌شود. در نتیجه هیچ جبران‌سازی دمایی دیگری برای تبدیل سیگنال خروجی فشار دیفرانسیلی به دبی جرمی یا حجمی مورد نیاز نیست. با استفاده از چند نقطه اندازه‌گیری جریان/ دما، کاربر از فرآیند پیچیده توصیف سیستم بای‌پس در امان می‌ماند.    

  1. سنسور فشار دیفرانسیلی SDP3x

اندازه بینهایت کوچک سنسور فشار دیفرانسیلی جدید سنسیریون، ویژگی ممتاز آن است. این سنسور تنها ۵*۵*۸ میلیمتر را اندازه می‌گیرد و در نتیجه کاربردهای جدید بی‌شماری دارد.

همانند همه سنسورهای فشار دیفرانسیلی سنسیریون، SDP3x با دقت عالی و پایداری بلندمدت و همچنین بدون انحراف نقطه صفر، ارائه می‌شود. علاوه بر این، این سنسور را می‌توان لحیم‌کاری (قلع‌پوشانی)کرد، توابع جدیدی نظیر آدرس‌های I2C چندگانه یا توابع قطع را ارائه می‌دهد و زمان پاسخ بسیار سریع ۲ کیلوهرتز با رزولوشن ۱۶ بیت را داراست. تمامی این عوامل باعث می‌شوند تا سنسور فشار دیفرانسیلی جدید سنسیریون، یک انتخاب عالی برای کاربردهای با حجم زیاد، اما حساس به هزینه باشد.

 

کنترل فشار اتاق قرنطینه

  1. درباره سنسیریون

سنسیریون، سازنده پیشروی سنسورهای باکیفیت، برای اندازه‌گیری و کنترل رطوبت و دبی‌های گاز و مایع است که در سال ۱۹۹۸ تاسیس شده است. مرکز این شرکت در استائفا در نزدیکی زوریخ سوئیس است و کارکنانی از کشورهایی نظیر آمریکا، کره جنوبی، ژاپن، چین، تایوان و آلمان در آن‌جا مشغول کار هستند. دفتر مرکزی این شرکت در سوئیس بوده و مسئول تحقیق، توسعه و تولید است.

میلیون‌ها عدد از انواع سنسورهای سنسیریون، در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. صنایع مختلفی نظیر صنعت خودرو، فناوری پزشکی و فناوری ساختمان، این سنسورها را به کار می‌برند.

 موفقیت سنسیریون، مبتنی بر فناوری ابداعی CMOSens است که مدارهای الکترونیکی تحلیل و سنسور را در یک تراشه نیمه‌رسانای واحد، ترکیب می‌نماید. این بدان معناست که تعداد واحدهای بزرگ با کیفیت بالا و هزینه پایین می‌تواند تولید شود.