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作者:黃宗正(2001-02-14);推薦:徐業良(2001-02-19)
附註:本文為最佳化設計實驗室之感測器使用說明文件,內容包含感測器之原理介紹、裝置諸元與使用方法。

AWM系列氣體流量感測器使用說明

許多自動化機械及工業控制之過程中,都需要針對液體或氣體之流量加以感測並進行控制,小至醫療工程中感測與控制麻醉藥品輸入人體內之數量,大至城市排水系統與河川流量之檢測與控制,均需要以流量感測器檢測單位時間內氣液體流通量之變化。

此文件中所介紹之AWM3300VAWM5104VN,為Honeywell所生產的AWM系列氣體流量感測器,僅能運用於氣態流體之流量感測,內部感測元件以微製程將熱控電路、感測電橋電路,與放大電路整合製作於印刷電路板上,並利用熱傳導原理進行流量感測。AWM3300VAWM5104VN二型間之差異為主要為氣流通道之管徑,因而直接影響二者於感測時可允許氣流通過之速率,AWM3300V0~1000sccmAWM5104VN則為0~20SLPMsccm為每分鐘通過立方公分數(cm3/min),SLPM為每分鐘通過公升數(l/min)。

1. AWM3300V型(氣)流量感測器

1.1 工作原理

1AWM3300V外型圖。其內部感測元件主要以微製程處理製成之電橋電路所構成,主要提供感測功能的部分是熱敏電阻與氮化矽以雷射切割製成之薄膜,此薄膜依照熱傳導理論作動,隨氣體流量增加使內部電阻值增加,此電阻值之改變使輸出電壓值隨之變化,另外加上附加電阻的配合而構成惠斯頓電橋感測電路。

1. AWM3300V外型圖

感測器的內部包含兩組電橋電路,一為熱控電路,其功能是將流進感測器的氣體溫度加溫或保持於固定範圍;另一則為主要感測電路與線性化放大電路,兩組電橋電路全都被製作在印刷電路板上以方便安裝於微小的外殼中。圖23AWM3300V內部兩組電橋電路之電路圖,圖2為熱控電橋電路,圖3為主要感測電橋電路。

2. 感測器內部的熱控電路圖

3. 主要感測電橋電路圖

實施感測時氣流由輸入導管被引進,流經感測元件之後再由輸出導管流出,於此段過程中感測元件的輸出電壓值會隨氣流量的不同而出現成比例的變化,如此便可藉由此流量與輸出電壓之間的線性關係間接測量出氣體流量。因此型氣流量感測器中已將熱控電路、溫度感測電路與差動放大電路整合製作於印刷電路板上,使用時便不需要再另外聯接運算放大器而可以直接測量輸出的電壓訊號,僅須注意待測流體之穩定以及電源供應問題即可。圖4為感測器內部進行線性化放大處理之差動放大電路電路圖。

4. 感測器內部的差動放大電路

1.2 儀器各項規格

AWM3300V

流體速率

0~1000sccm

流體通過管外徑

5.1mm

流體通過管內徑

3.6mm

激勵電壓

10.0Vdc8Vdcmin~15Vdcmax

電力消耗

50mW~60mWmax

反應時間

1ms~3msmax

輸出電壓

5Vdc4.98mbar

零位電壓

1Vdc

靈敏度

4mV/sccm

操作溫度

40~90

最大壓力負載

345mbar

1.3 使用說明

因此型感測器內部已建構放大電路與溫度補償電路,故不需再外接任何機構或電路,如圖5所示,僅需為感測器輸入電源,並將感測器的電壓訊號輸出端接上訊號讀取裝置,即可由電壓輸出與氣流量間的關係得到所欲測量之氣流量資料。以下是感測器外部三個PIN接腳所各自代表的輸出入線路:

PIN1=電壓訊號輸出(Vout)

PIN2=電源輸入正端(Vcc)

PIN3=電源輸入負端(Ground)

5. 感測器接腳與其他裝置配接圖

依照各腳位連接外部供應電源與訊號處理裝置後,透過測量感測器輸出電壓訊號,並配合圖6之輸出電壓值與氣流量關係圖,即可推算得到該電壓輸出值下所對應的氣流流量。

6. 輸出電壓與氣流量關係圖

2. AWM5104VN型(氣)流量感測器

7AWM5104VN外型圖。其內部主要由微電橋電路所組成,經由同軸向之氣流導管將待測氣流導通至感測器內部進行測量,此型感測器可測量最高達每分鐘20公升的氣體流通量,且感測器內部電橋電路於測量時與所通過氣流之間為直接接觸,可大幅降低因孔洞或分流所造成的測量誤差。

7. AWM5104型氣流量感測器外型圖

2.1 工作原理

感測器外殼可承受50psi之內部氣體壓力,內部包含元件除微小之感測電橋電路,尚包含與感測電路相容的運算放大電路,與同系列的AWM3300V類似,此部份電路系統提供了電壓訊號放大、線性化和溫度補償等功能。圖8為製作於感測器內部電路板上之熱控電路,而圖9則為感測電橋電路與電壓放大線性化電路。

8. 感測器內部熱控電路圖

9. 感測器內部感測電路與放大線性化電路圖

2.2 儀器各項規格

AWM5104V

感測流量速率

0~20SLPM

激勵電壓

10Vdc8Vdcmin~15Vdcmax

電力消耗功率

100mW

反應時間

60msec

零位輸出電壓

1Vdc0.95Vdcmin~1.05Vdcmax

輸出電壓

5Vdc@FullScaleFlow

操作溫度範圍

20~70

2.3 使用說明

因此型氣流量感測器內部搭配有放大線性化電路及溫度補償電路,故使用時僅需供給其一起動激勵電壓,即可在感測器電壓訊號輸出端直接量得15Vdc之線性電壓輸出訊號,再經由此電壓輸出與氣體流量間之相對關係推算出於該電壓輸出值下相對應之氣流通量。圖10為此型感測器外觀尺寸及其外接PIN腳圖,圖中各接腳分別代表的是:

PIN1=+SupplyVoltage

PIN2Ground

PIN3NoConnection

PIN4OutputVoltage

對應各接腳所代表之意義,得知進行感測時須於PIN1端與PIN2端接上電源電壓,並將PIN4接上訊號處理裝置,即可以於PIN4輸出端測得15Vdc的線性電壓輸出(PIN4端輸出接訊號檢知裝置V+端,V-端接地)。

10. AWM5104VN氣流量感測器尺寸外型及接腳位置圖

11為製造廠商Honeywell所附此型感測器輸出電壓值對氣流量之相對關係圖,在氣流量0~20SLPM之範圍內可得到1~5Vdc的線性電壓輸出。

11. 感測器輸出電壓值與氣流量關係圖

此外由於AWM系列感測器採用內建式運算電路,因此在測量不同氣體時須注意有一修正係數必須加以考慮。AWM系列氣流量感測器可量測之氣體分為三大類,第一類為氧氣、空氣、氮氣,第二類為一氧化碳、二氧化碳,第三類則為氬氣。若量測其他種類氣體時可以第一類氣體之流量感測器量測後,再乘以表1之氣體修正係數加以修正。而此AWM5104VN型感測器屬於感測氮氣的第一種類型氣流量感測器。

1. 氣體修正係數

氣體名稱

修正係數

Helium,He

0.5

Hydrogen,H2

0.7

Argon,Ar

0.95

Nitrogen,N2

1.0

Oxygen,O2

1.0

Air

1.0

Nitricoxide,NO

1.0

Carbonoxide,CO

1.0

Methane,CH4

1.1

Ammonia,NH3

1.1

Nitrousoxide,N2O

1.35

Nitrogendioxide,NO2

1.35

Carbondioxide,CO2

1.35

參考資料