Температурная коррекция тепловых МЭМС-расходомеров

Ключевые слова: МАССОВЫЙ РАСХОД ГАЗА, ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ШУНТИРОВАНИЯ, ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ ШУНТИРОВАНИЕ

Аннотация

Выходные сигналы многих чувствительных элементов (сенсоров) часто содержат нежелательную зависимость от температуры. Причиной этой зависимости может быть влияние температуры на физико-химические параметры элементов сенсора или изменение свойств среды, параметры которой измеряются.
Так чувствительность  р-резисторов, измеряющих деформацию мембраны МЭМС-сенсоров давления, существенно снижается с повышением температуры газа, давление которого измеряется. У тепловых МЭМС-сенсоров массового расхода газа выходной сигнал существенно зависит от теплопроводности исследуемого газа. Это справедливо при измерениях, как термоанемометрическим, так и калориметрическим способом.
В калориметрическом датчике массового расхода измеряется перепад температур до и после резистивного нагревателя, помещенного в поток газа. При нулевой скорости потока этот перепад температур равен нулю и возрастает с увеличением скорости потока. В термоанемометрическом датчике массового расхода газа измеряется электрическая мощность, необходимая для поддержания требуемого перепада температуры между нагревателем и потоком исследуемого газа. Возрастание мощности относительно мощности при нулевой скорости потока служит показателем его массового расхода.
Компенсировать влияние теплопроводности газа в тепловых МЭМС-расходомерах можно, разместив на сенсоре дополнительный терморезистор (резистор среды), температура которого равна температуре газа, массовый расход которого измеряется. Важно, чтобы зависимость сопротивления от температуры терморезисторов нагревателей сенсора и этого дополнительного терморезистора была близка к линейной в диапазоне температур от нижнего предела датчика до температуры, большей на 200..250°С. Для этих целей более всего подходят платиновые терморезисторы.
Показано, как с помощью последовательно-параллельного подключения дополнительных резисторов (последовательно-параллельного шунтирования резистора среды) можно управлять температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) резистора среды, не изменяя его номинального сопротивления.
В калориметрическом датчике температурной коррекции можно добиться, за счет направленного уменьшения  ТКС шунтированного резистора среды. Сигнал, снимаемый с шунтированного резистора среды, используется для управления источником тока, питающего резисторы нагреватели МЭМС-сенсора. В термоанемометрическом датчике этот сигнал управляет требуемым перепадом температуры между нагревателем и потоком исследуемого газа, компенсируя изменение теплопроводности.
Приведены результаты экспериментальных исследований температурной компенсации обоих типов тепловых МЭМС-расходомеров.

Keywords: GAS MASS FLOW RATE, TEMPERATURE COEFFICIENT OF RESISTANCE, SERIES-PARALLEL CONNECTION, PARALLEL-SERIES CONNECTION

Abstract