Запускаємо датчик швидкості потоку газу

Майже рік тому була опублікована стаття з оглядом датчиків швидкості потоку газів і рідин виробництва компанії IST-AG.

Минулого разу у мене була можливість тільки на пальцях пояснити основний принцип роботи цих елементів, зате зараз я публікую цілком змістовну розповідь про термоанемометрическом датчику потоку серії FS7.

Ми почнемо з теоретичної бази, а закінчимо відео, де з допомогою велосипедного насоса і скотча демонструється робота прототипу вимірювального пристрою на базі FS7.



Отже, всі датчики потоку виробництва IST використовують теплової принцип вимірювань — швидкість потоку розраховується або кількості тепла, яке віддає потоку нагріте тіло, або з різниці показань двох датчиків температури, розташованих уздовж потоку симетрично щодо нагрітого тіла.

У першому випадку датчик потоку називається термоанемометричним і не дозволяє визначати напрям потоку, а в другому випадку датчик називається калориметричним і дозволяє визначити і швидкість, і напрямок потоку.

Принцип роботи термоанемометричного датчика
Сьогодні ми говоримо про чутливих елементах найпростішої конструкції — про термоанемометрічеськіх датчиках. Термоанемометричний чутливий елемент складається з датчика температури і нагрівального елемента.

У відсутності потоку температура нагрівача залишається незмінною,

а при наявності потоку нагрівач починає віддавати своє тепло навколишньому середовищу.


Кількість тепла, яке віддається потоку нагрітим елементом, залежить від теплофізичних характеристик середовища, від параметрів труби і від швидкості потоку. Для додатків, де характеристики середовища і розміри труби відомі, тепловіддача нагрівача може використовуватися для розрахунку швидкості потоку.

І датчик температури, нагрівач являють собою платинові термоопору — елементи, опір яких практично лінійно залежить від температури середовища.

Все що потрібно знати термосопротивлениях — у статтях "Термоопору: теорія" і "Термоопору: виробничий процес"
Обидва термоопору включаються в мостову схему, яка у відсутності потоку врівноважена. Коли швидкість потоку збільшується, нагрівач охолоджується, його опір змінюється і міст розбалансовується. Сигнал розбалансу надходить на підсилювач, вихідний сигнал підсилювача повідомляє нагрівника більш високу температуру і призводить міст назад в рівноважний стан. Величина напруги, яке потрібно щоб урівноважити міст, є функцією від швидкості потоку.



Структура датчика
Процес виробництва датчиків швидкості потоку IST дуже схожий на виробництво звичайних термоопорів (датчиків температури). На статтю, присвячену виробництва тонкоплівкових термоопорів, я посилаюся трохи вище.

На керамічну підкладку, що володіє низькою теплопровідністю, напилюються платинові меандри — струмопровідні доріжки, з яких формуються два термоопору.

Перше термоопір — нагрівач — має номінальний опір R0 = 45 Ом, друге — датчик температури — має номінальний опір R0 = 1200 Ом.



На підкладку також наносяться необхідні з'єднання та контактні площадки для кріплення висновків. Конструкція з обох боків покривається пассивационным шаром з скла, після чого до датчика кріпляться висновки.

Формула розрахунку швидкості потоку
Я не бачу сенсу заглиблюватися в фізику і розбирати виведення формули для розрахунку швидкості потоку, зазначу лише основні закони, на яких ця формула базується.

1. Рівняння теплового балансу — залежність кількості теплоти ${\displaystyle Q}$, яку віддав середовищі нагрівач, від різниці температур нагрівача і середовища ${\displaystyle \Delta T}$, площі поверхні нагрівача ${\displaystyle A}$ і коефіцієнта теплообміну нагрівача ${\displaystyle h}$.

${\displaystyle Q = hA\Delta T}$

2. Закон Кінга, що зв'язує кількість теплоти з миттєвою швидкістю потоку ${\displaystyle v}$

${\displaystyle Q_{h} = I_{h}^{2}R_{h}=(A + Bv^{n})\Delta T}$, де ${\displaystyle n = 0.3 .. 0.5}$

Формула для розрахунку швидкості потоку, в який поміщений елемент FS7, є результатом перетворень і спрощень закону Кінга. Формула має наступний вигляд:
$U = U_{0}\sqrt {1+kv^{n}}, де$${\displaystyle U}$ — вихідна напруга схеми
${\displaystyle U_{0}}$ — напруга при відсутності потоку (величина ${\displaystyle U_{0}}$ відображає ${\displaystyle \Delta T}$ — початкову різницю між температурою нагрівача і температурою середовища)
${\displaystyle k}$ — коефіцієнт, який залежить від профілю потоку і від положення датчика; значення ${\displaystyle k}$ належить діапазону (0.9...0.93)
${\displaystyle n}$ — коефіцієнт, для датчиків FS7 рівний 0.51
${\displaystyle v}$ — шукана швидкість потоку

В роботі також використовують зворотний формулу ${\displaystyle v = \frac {[(U-U_{0})(U+U_{0})]^{{1}/{n}}}{(k^{{1}/{n}})U_{0}^{{2}/{n}}}}$.

Коефіцієнти ${\displaystyle n}$ і ${\displaystyle k}$ підбираються в процесі калібрування датчика (див. нижче).

Схема включення датчика
Датчик FS7 має три висновки: контакт нагрівача, контакт датчика температури, земля.



Універсальної схеми включення датчика, як і детальних рекомендацій по його монтажу, немає. Причина очевидна — відношення швидкості потоку до напруги залежить не тільки від геометрії чутливого елемента, але і від параметрів середовища (температура, склад, тиск, наявність механічних часток), а також від геометрії труби, положення датчика в трубі і від профілю потоку. У кожній конкретній задачі цей набір параметрів буде відрізнятися, тому підбір номіналів для схеми включення та розрахунок коефіцієнтів для розрахунку швидкості потоку підбираються для кожної задачі окремо.

Однак завжди треба від чогось відштовхуватись, в даному випадку відштовхнутися найкраще зі схеми, наведеної в документації на FS7:



Приклад залежності вихідної напруги від швидкості потоку:



Для калібрування датчика використовують три точки — нульова швидкість, максимальна швидкість потоку і точка посередині.

У відсутності потоку фіксується значення ${\displaystyle U_{0}}$. Нехай ${\displaystyle U_{0} = 3,6}$ Ст.

При ${\displaystyle U = 6,6}$ і ${\displaystyle v = 6}$ м/c формула ${\displaystyle U = U_{0}\sqrt {1+kv^{n}}}$ приймає вигляд ${\displaystyle 6,6 = 3,6\sqrt {1+k*6^{n}}}$.

При ${\displaystyle U = 7,5}$ при ${\displaystyle v = 12}$ м/c формула ${\displaystyle U = U_{0}\sqrt {1+kv^{n}}}$ приймає вигляд
${\displaystyle 7,5 = 3,6\sqrt {1+k*12^{n}}}$

Отримуємо систему двох рівнянь з двома невідомими, з якої знаходимо ${\displaystyle n = 0,50}$ і ${\displaystyle k = 0,96}$.

Підставивши значення ${\displaystyle n}$, ${\displaystyle k}$ і напруга ${\displaystyle U_{0}}$ в формулу ${\displaystyle v = \frac {[(U-U_{0})(U+U_{0})]^{{1}/{n}}}{(k^{{1}/{n}})U_{0}^{{2}/{n}}}}$, одержимо простий вираз для обчислення швидкості потоку.

Типи датчиків FS7 і модуль FS-flowmodul

Випускається три стандартних виконання датчика FS7, які відрізняються один від одного наявністю круглого пластмасового корпусу і робочим діапазоном температур.









  FS7.0.1 L. 195 FS7.0.4 W. 015 FS7.A.1L.195 Діапазон вимірювань 0...100 м/c Дозвіл 0,01 м/c Час відгуку ~200 мс Діапазон робочих температур -20… +150 °C -20… +400 °C -20… +150 °C Розміри елемента 6.9 x 2.4 мм Висновки ізольовані довжиною 195 мм не ізольовані довжиною 15 мм ізольовані довжиною 195 мм Розміри корпусу - Ø 6 мм, довжина 14 мм Роздрібна ціна * 21,29 EUR 25,44 EUR
* В даному випадку під роздробом ми розуміємо кількості до 50 штук. Вже на замовленні 50+ датчиків ціна знизиться на 30%. Далі — більше.



На етапі знайомства з датчиками серії FS7 можна також використовувати готовий модуль FS-Flowmodul, на якому реалізована схема включення.



Плата FS-Flowmodul має три контакти для підключення датчика FS7 з одного боку і контакти Харчування, Земля і Вихідний сигнал з іншого боку. Крім іншого, плата оснащена потенціометром для підстроювання вихідної напруги (див. резистор R2 на схемі включення).

Важливо відзначити, що модуль не призначений для використання у серійних пристроях. Плата може використовуватися тільки на етапі прототипування, коли комусь простіше збирати схему самостійно, а комусь зручніше заплатити мені зайві 108 євро і отримати готову налагоджувальну плату :)

Демонстрація
Природно, для демонстрації працездатності датчика був обраний найпростіший шлях. Датчик підключається до FS-Flowmodul, а вихід модуля — до входу АЦП на керуючій платі.
Налагоджувальна плата побудована на базі мікроконтролера від SiLabs і підключена до сенсорному TFT-дисплею від Riverdi.

Процесу створення програми для виведення інформації на цей дисплей було присвячено цілих п'ять статті хабре. Тепер до описаного раніше прототипу для вимірювання температури і вологості додався модуль для вимірювання швидкості потоку.


До речі кажучи, коли ми показуємо цей прототип живцем, то для демонстрації роботи датчиків на них досить просто подути — від дихання одночасно збільшуються і вологість і температура, і швидкість потоку. На жаль, цей процес ніяк не виходить красиво зняти на відео, тому робота датчика HYT-271 демонструвалася на гуртку окропу, а для FS7 довелося спорудити кустарний повітропровід з трубки для чистики акваріума, в яку за допомогою велосипедного насоса подається повітря.

Важливо: датчик повинен бути встановлений по центру діаметра труби, робочою поверхнею рівне вздовж напрямку потоку.

Примітки
  1. Я допускаю деякі спрощення при описі описі фізичних явищ, які на практиці роботи з датчиками потоку повинні бути враховані. Мета сьогоднішньої публікації — продемонструвати базові принципи роботи чутливих елементів FS7. Однак якщо знайдуться коментатори, готові розкрити фізику процесу детальніше, то такі пояснення будуть прийняті автором з вдячністю, вираженої у знижку на купівлю FS7.

  2. Вся інформація, яку можна знайти в інтернеті для flow sensor FS5, актуальна і для датчика FS7. В першу чергу рекомендую Application Note FS5 і статті, в якій крім іншого є опис профілю потоку.
Висновок
У висновку традиційно дякую за увагу читача і нагадую, що питання щодо застосування продукції, про яку ми пишемо на хабре, можна також задавати на email, вказаний в моєму профілі.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.