Winsen представила линейку MEMS-датчиков расхода газа FRn из пяти серий — от сенсора, впаиваемого прямо в печатную плату, до промышленной модели для вентиляционных систем и воздуходувок. Разбираемся, чем серии отличаются друг от друга и по каким признакам выбирать модель под конкретную задачу.
Компания Zhengzhou Winsen Electronic Technology Co., Ltd. (Winsen) выпустила новое семейство MEMS-датчиков расхода газа FRn. Приборы рассчитаны на контроль малых и средних расходов в пневматических системах, медицинском оборудовании, газоанализаторах, системах вентиляции и различных технологических установках.
В семейство входят пять серий, выстроенных по возрастанию измеряемого расхода: FRn03H, FRn03P, FRn06, FRn08 и FRn20. Суммарно они перекрывают диапазон от десятков SCCM до 300 SLM. Здесь и далее SCCM (Standard Cubic Centimeters per Minute) — стандартные кубические сантиметры в минуту, SLM (Standard Liters per Minute) — стандартные литры в минуту; приставка «стандартный» означает, что объём приведён к нормальным условиям, поэтому показания не зависят от текущей температуры и давления газа.
Все пять серий работают по термальному принципу измерения расхода. Его суть — в регистрации изменения теплового баланса измерительного элемента при прохождении через него газа: поток уносит тепло, и по величине этого отвода восстанавливается расход. Такой метод даёт высокую чувствительность к малым потокам и одновременно быстрый отклик, поскольку измеряется не механическое перемещение чего-либо, а тепловое состояние миниатюрной МЭМС-структуры.
Отсюда следует и главное ограничение по применению: датчики серии FRn предназначены для сухих, чистых и некоррозионных газов. Пыль, жидкость или масло в газовом тракте способны ухудшить характеристики или вовсе повредить измерительный элемент — чувствительная структура находится непосредственно в потоке.
FRn03H — самые малые расходы
Серия FRn03H — наиболее низкорасходная в линейке. Диапазон измерения может составлять 50…2000 SCCM, то есть 0,05…2 SLM. Это улучшенное продолжение серии FR03H: разработчики уменьшили разброс нулевой точки и подтянули стабильность сигнала во всём диапазоне. Для низкорасходного термального сенсора именно уход нуля обычно и определяет реальную точность на нижнем краю диапазона, так что улучшение здесь ощутимее, чем изменение любых других параметров.
Датчик рассчитан на работу при температуре 0…50°C, питается от 5…15 В DC и потребляет не более 30 мА. Предусмотрены два варианта выходного интерфейса: цифровой I^2C и аналоговый 0,5…4,5 В DC. Аналоговый выход начинается не с нуля, что удобно на практике — по нулевому напряжению на входе АЦП сразу видно обрыв линии, а не нулевой расход.
Область применения FRn03H — системы, где расход газа лежит в пределах от десятков до нескольких сотен SCCM: дозирование газа, лабораторные установки, анализаторы, небольшие пневматические контуры и системы управления газовыми потоками.
FRn03P — тот же класс расходов, но на плату
FRn03P близок к FRn03H по области применения, но конструктивно ориентирован на интеграцию непосредственно в печатную плату. Основное отличие — исполнение для поверхностного монтажа, за счёт чего модель удобна в многоканальных устройствах и в оборудовании с ограниченным пространством.
Доступные диапазоны измерения: 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 4000 и 5000 SCCM — то есть максимальный предел достигает 5 SLM. Такой набор фиксированных диапазонов позволяет не тратить разрешение АЦП на расходы, которых в устройстве заведомо не будет: берётся модификация, у которой верхний предел ближе всего к рабочему максимуму. Электрические характеристики практически совпадают с серией FRn03H.
Типичное применение — компактная многоканальная электроника, где несколько датчиков нужно разместить на одной плате или в одном небольшом корпусе.
FRn06 — переход к литрам в минуту
Серия FRn06 рассчитана на более высокие расходы: в зависимости от модификации доступны диапазоны 5, 10, 15 и 20 SLM. Диаметр проходного канала — 6 мм. Максимальное рабочее давление составляет 400 кПа, и это самый высокий показатель в линейке — выше, чем у FRn03H, FRn03P и FRn08.
Механическое подключение выполнено через пневматические быстросъёмные соединения G1/8 — Ø 6. Производитель рекомендует трубку с наружным диаметром 6 мм и внутренним 4 мм: внутренний диаметр здесь важен не меньше наружного, так как он задаёт фактическое сечение тракта и, значит, скорость потока перед сенсором.
Как и остальные датчики линейки, FRn06 поддерживает оба интерфейса — I^2C и аналоговый выход 0,5…4,5 В. Напряжение питания 5…15 В DC при потреблении до 30 мА, время отклика <= 50 мс.
Серия адресована задачам, где нужно контролировать расход порядка нескольких литров в минуту, но компактность и низкое энергопотребление остаются существенными требованиями.
FRn08 — потоки до 100 SLM
Датчики FRn08 предназначены для существенно больших потоков и выпускаются в двух версиях: до 50 и до 100 SLM. Диаметр проходного канала — 8 мм, максимальное рабочее давление — до 200 кПа.
Механическое подключение осуществляется через пневматический быстросъёмный штуцер 1/4" PT — Ø 8. Для подключения рекомендуется PU-трубка с наружным диаметром 8 мм и внутренним 6 мм либо трубка аналогичного размера из нержавеющей стали.
По характеристикам FRn08 очень близок к FRn06 и младшим сериям, включая аналоговый выход 0,5…4,5 В DC. Отличительная же особенность серии — сочетание относительно широкого диапазона измерения с компактным пневматическим исполнением.
FRn20 — старшая серия для промышленных потоков
FRn20 замыкает линейку сверху. Эти датчики предназначены для промышленных задач мониторинга и контроля воздушного потока с пределами измерения 150, 200 и 300 SLM. Номинальный диаметр канала — 20 мм, максимальное рабочее давление — 200 кПа. Для подключения производитель рекомендует силиконовый шланг с внутренним диаметром около 20 мм. Электрические характеристики не отличаются от серии FRn08.
Для систем с ограниченным пространством предусмотрены рекомендации по применению выпрямителей потока и сетчатых элементов. Для FRn20 это особенно важно: при больших расходах профиль скорости воздуха и турбулентность в трубопроводе заметно влияют на результат измерения. Термальный сенсор реагирует на локальную скорость газа в точке, где он установлен, поэтому закрученный или неравномерный поток — например, сразу после колена или сужения — даёт систематическую ошибку, которую выпрямитель и сетка как раз и убирают, выравнивая профиль перед измерительным элементом.
Основные применения серии — вентиляционные системы, воздуходувки и другие установки, где требуется измерять десятки и сотни литров в минуту.
Как выбирать модель
Линейка FRn перекрывает широкий диапазон и позволяет подобрать датчик под самые разные задачи контроля малых и средних расходов газа. Общее у всех серий — термальный MEMS-принцип измерения, компактные размеры, быстрый отклик и наличие как цифрового, так и аналогового интерфейса.
При выборе конкретной модели стоит учитывать не только диапазон расхода, но и:
рабочее давление в системе;
конструкцию пневматического подключения — быстросъём, штуцер или посадка на плату;
условия эксплуатации;
требования к чистоте измеряемого газа.
С учётом этих факторов датчики серии FRn могут найти применение как в компактных лабораторных и медицинских устройствах, так и в промышленных системах контроля и мониторинга газовых потоков.
