一种低流速气体流量传感器的研制_赵梦恋

低流速气体的流量测量在诸如煤制气 、天然气 供气工程以及精密电子制造业 、精细化工和制药业 等许多工业和民用应用场合具有重要意义[1] ,然而 由于在实现中的诸多困难 ,又成为受到工业界和学 术界关注的一个热点课题.
迄今为止已针对不同类型流体发展了多种流量 测量方法[1～4] . 在工业界大量应用的传统结构型流 量计的工作机理多依赖于传感器构件的机械运动或 气流中涡流的产生 ,因此受到一定的测量下限 (阈 值) 的限制 ,在低流速气体流量测量领域难以发挥作
Abstract : A new flow sensor suitable for measuring low velocit y gas flow was developed and tested , which works by detecting t he flow2induced temperat ure difference. The sensor co nsisted of t wo identical temper2 at ure sensor chip s toget her wit h a surface2mo unted p recise platinum resistor t hat works as a heating re2 so urce. A n integrated co nstant current so urce was designed to p rovide t he heat so urce wit h a stable heating current . The o utp ut voltage of t he sensor varies app ro ximately linearly wit h t he square root of t he fluid flow velocit y. The experimental result s t hat co nsistent wit h t he t heoretical analysis showed t hat while t he fluid flow velocit y was as low as 0. 5 cm/ s , t he senso r had large eno ugh o utp ut voltages of up to several hundred millivolt s. The main advantages of t he flow sensor include it s high sensitivit y wit hin t he range of low flow velocities as well as it s high stabilit y during measurement . Key words : low velocit y fluid ; flow sensor ; integrated circuit ; temperat ure sensor
温度检测是传感器设计的关键. 设计采用两个 全对称的温度传感器芯片构成测温电路 , 每个相当 于一个正比于绝对温 度 (p ropo rtio nal to absolute temperat ure , P TA T) 电压源 ,输出 10 mV/ K 的温 度信号 ,能满足低流速下低信号幅度对高灵敏度的 要求. 设计的温度传感器芯片具有良好的线性和很 低的输出阻抗 ,适用于干扰强的工业应用环境.
第 39 卷第 2 期 2005 年 2 月
浙 江 大 学 学 报 (工学版)
Jo urnal of Zhejiang U niversity ( Engineering Science)
Vol . 39 No . 2 Feb. 2005
一种低流速气体流量传感器的研制
赵梦恋 ,吴晓波 ,严晓浪
现从传热学角度对该传感器原理作进一步的分 析. 分析中假定流体为均匀分布的牛顿型流体 ,且处 于层流状态. 以一维测量为例. 如图 1 所示 ,热源 RH 置于传感器基片的中心 ,在其两边对称地放置两个 完全相同的温度检测芯片 S1 和 S2. 传感器与流体 之间的热交换主要通过对流进行 ,热源与温度检测 芯片之间的热交换可通过传导和对流进行.
Development of low velocity gas flow sensor
ZHAO Meng2lian , WU Xiao2bo , YAN Xiao2lang
( I nstit ute of V ery L a r ge S cale I nteg rate Ci rcuit Desi g n , Zhej i an g U ni versit y , H an gz hou 310027 , Chi na)
图 4 给出了温度传感电路的基本原理[9] . 其中
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浙 江 大 学 学 报 (工学版)
第 39 卷
图 4 温度传感电路原理 Fig. 4 Principle of temperat ure sensor circuit
发射结面积 比为 r 的对管 Q1 、Q2 与电阻 R2 、R3 、 R4 一起构成温度敏感的核心电路 ,V CC 为该电路的 供电电源电压.
IPTA T
= k T ln n. qR7
在此利用热平衡方程可以计算出因对流引起的 芯片表面的温度再分布 ,获得温度差与流速的关系 式. 根据文献[ 7 ,8 ] ,温度差与流速的关系为
图 3 集成流速传感器的整体原理框图 Fig. 3 Schematic diagram of flow senso r circuit
传感 器电路的若干关键模块介绍如下. 2. 1 温度传感模块
用. 常见的一些非结构型流量计如电磁流量计等则 只能用于导电流体等特定种类流体的测量. 鉴于此 , 基于热学原理构成的量热式传感器在低流速气体流 量测量领域得到了重视. 与上述传感器不同 ,由于无 测量下限的限制 ,它的工作区域可接近零点 ,可以直 接得到反应中质量流量的高精度电信号 ,且有可能 用于非导电性液体和黏度较高液体的测量. 集成电 路型的量热式流量传感器由于利用现代集成电路技 术实现 ,一致性好 ,便于实现规模生产 ,且便于与功 能电路集成以获得高灵敏度和灵活多样的输出形式
个关键. 该电路基于能隙基准机理工作. 图 5 给出了
简化的电路原理图.
图 5 中虚线框即是产生恒定电流的核心电路.
其中 Q17 、Q18 、Q21 与 Q22 为相同的晶体管 ,Q16 、
Q15 发射结面积比为 n. 设 Q17 、Q18 集电极电流相 等 ,Q15 与 Q16 以及 R7 构成一个产生 P TA T 电流 的电路 ,即流过 R7 的电流为
图 1 传感器结构示意图 Fig. 1 Basic st ruct ure of senso r
当流 体流速为零 ,即当流体处于静止状态时 ,表 面附近的流线场及主要由此产生的温度场相对于热 源呈对称分布 ,见图 2 (a) . 由于结构上的对称性 ,通 过基片热传导进行的热交换相对于热源始终是对称 的. 此时感温芯片的温度满足 TS1 = TS2 , 即温差 Δ T21 = TS2 - TS1 = 0 .
第2期
赵梦恋 ,等 : 一种低流速气体流量传感器的研制
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(例如数字化输出) ,并进一步实现一维或二维流向 和流场测量等 ,因此得到了广泛的重视.
本文提出一种基于温差测量原理的低流速气体 流量传感器的实现方案 ,并应用集成方式予以实现.
1 工作原理
量热式传感器的实质是利用在流体流动时流体 与固体间的热交换 ,通过测量热量的传递 、转移和平 衡来求得流体的流量 ,如人们熟知的热线风速计和 托马斯流量计[3 ,4] . 考虑到现有的研究条件和优势 , 本文提出的传感器实施方案是在两个全对称感温元 件的中间设置一恒定热源 ,将其置于流体之中 ,通过 检测由流体流动导致的热源与两感温元件间热交换 的不对称来获得流速信息[2 ,5 ,6 ] .
(浙江大学 超大规模集成电路设计研究所 ,浙江 杭州 310027)
摘 要 : 提出一种基于温差测量原理测量低流速气体流量的方法并进行了实验验证. 传感器由一对集成温度传感 器芯片与片状铂电阻热源构成 ,专门设计的片上恒流供电电路保证了热源加热功率的稳定. 对该流量传感器样品 进行测试 ,结果表明它能够提供与方根流速近似成线性关系的输出. 在低于 0. 5 cm/ s 的低流速下 ,该传感器具有 数十至数百毫伏的输出信号幅度 ,其测量下限可低至 0. 5 cm/ s. 这与理论分析结果基本相符. 该流量传感器在低流 速条件下具有高灵敏度和较高的稳定性. 关键词 : 低速流体 ;流量传感器 ;集成电路 ;温度传感器 中图分类号 : TN431. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 973X(2005) 02 0180 05
由图 4 所示电路可知 ,当
IC1 = IC2 = IE / 2
时 ,该温度传感电路输出电压为
V TO
=
IR2 R2 + IR3 R3
+ IR4 R4
=
(ΔV B E
R3
+ 21βI E) R2
+
ΔV B E
+ (ΔVBE
R3
-
21βI E) R4 .
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(2)
容易证明 ,晶体管 Q1 、Q2 的发射结电位差为
收稿日期 : 2004 04 02. 浙江大学学报 (工学版) 网址 : www. journals. zju. edu. cn/ eng 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50237030) . 作者简介 : 赵梦恋 (1976 —) ,女 ,浙江东阳人 ,博士生 ,从事模拟与数模混合集成电路的研究. E2mail : zhao ml @vlsi . zju. edu. cn
当流体流动时 ,基片表面附近的流线场及相应 的温度场相对于中心热源的分布发生变化 ,导致倾 向性的不对称分布 , 见图 2 ( b) . 根据 热边 界层 理 论[5] 可知 ,此时上游温度检测芯片表面冷却速率高 于下游芯片表面 , TS1 < TS2 , 温差 Δ T21 > 0 , 且 Δ T21 的值随流体流速的增大而增大. 如果改变流体 流向 ,Δ T21 亦相应改变符号.
(3)
R3
q
换言之 ,当电路参数 r、R2 、R3 、R4 等确定之后 , 由于
( R2 + R3 + R4 ) / R3 具有良好的温度稳定性 , V TO 与
T 即具优良的线性关系.
2. 2 恒流源电路模块
图 3 中 ,为热源提供高稳定的电流 IH 以取得恒
定的加热功率 ,这是传感器得以稳定有效工作的一
图 2 流速不同时的流场分布
Fig. 2 Flow fields at different flow velocities
Δ T21 ∝ TC0 v0 1/ 2 .
(1)
式中 : v0 为流速 , TC0为当流速为零时的芯片表面温度.
由此表明温度差与流速的平方根成正比. 这是流速与
它诱发的温度差可用来构成流量传感器的理论依据.
ΔV BE
= V BE2
-
V BE1
=
k T ln r. q
式中 : q 为电子电荷 , k 为玻尔兹曼常数 , T 为 Kelvin
温度. 当β足够大而 IE 相对ΔVBE/ R3 又较小时 ,式 (2)
可以写为
V TO
≈
(1
+
R2 + R3
R4 ) ( V BE2
-
V BE1 )
=
R2 + R3 + R4 k T l n r.
2 基本电路构成
图 3 为本文提出的集成流量传感器的整体原理 图 ,包括两个全对称的温度检测芯片 S1 和 S2 、热源 RH 、为热源提供加热电流 IH 的恒流源电路及温差 测量放大器 A 等 ,V S+ 、V S- 为供电的正负电压. 工作 时 S1 、S2 输 出 与 温 度 成 正 比 的 温 差 电 压 信 号 ΔV 12 = V 1 - V 2 ,而放大器 A 对ΔV 12 进行放大以获 得足够大的输出电压 V O .