Запускаем датчик скорости потока газа

в 13:44, , рубрики: flow sensor, IST, Блог компании ЭФО, программирование микроконтроллеров, продам датчик, Промышленное программирование, Разработка для интернета вещей, Разработка робототехники, скорость потока

Почти год назад была опубликована статья с обзором датчиков скорости потока газов и жидкостей производства компании IST-AG.

В прошлый раз у меня была возможность только на пальцах пояснить основной принцип работы этих элементов, зато сейчас я публикую вполне содержательный рассказ о термоанемометрическом датчике потока серии FS7.

Мы начнём с теоретической базы, а закончим видео, где с помощью велосипедного насоса и скотча демонстрируется работа прототипа измерительного устройства на базе FS7.

Запускаем датчик скорости потока газа - 1

Итак, все датчики потока производства IST используют тепловой принцип измерений — скорость потока рассчитывается либо из количества тепла, которое отдает потоку нагретое тело, либо из разницы показаний двух датчиков температуры, расположенных вдоль потока симметрично относительно нагретого тела.

В первом случае датчик потока называется термоанемометрическим и не позволяет определять направление потока, а во втором случае датчик называется калориметрическим и позволяет определить и скорость, и направление потока.

Принцип работы термоанемометрического датчика


Сегодня мы говорим о чувствительных элементах самой простой конструкции — о термоанемометрических датчиках. Термоанемометрический чувствительный элемент состоит из датчика температуры и нагревательного элемента.

В отсутствии потока температура нагревателя остается неизменной,
Запускаем датчик скорости потока газа - 2
а при наличии потока нагреватель начинает отдавать своё тепло окружающей среде.
Запускаем датчик скорости потока газа - 3

Количество тепла, которое отдается потоку нагретым элементом, зависит от теплофизических характеристик среды, от параметров трубы и от скорости потока. Для приложений, где характеристики среды и размеры трубы известны, теплоотдача нагревателя может использоваться для расчета скорости потока.

И датчик температуры, и нагреватель представляют собой платиновые термосопротивления — элементы, сопротивление которых практически линейно зависит от температуры среды.

Всё что нужно знать термосопротивлениях — в статьях "Термосопротивления: теория" и "Термосопротивления: производственный процесс"

Оба термосопротивления включаются в мостовую схему, которая в отсутствии потока уравновешена. Когда скорость потока увеличивается, нагреватель охлаждается, его сопротивление изменяется и мост разбалансируется. Сигнал разбаланса поступает на усилитель, выходной сигнал усилителя сообщает нагревателю более высокую температуру и приводит мост обратно в равновесное состояние. Величина напряжения, которое требуется чтобы уравновесить мост, является функцией от скорости потока.

Запускаем датчик скорости потока газа - 4

Структура датчика


Процесс производства датчиков скорости потока IST очень похож на производство обычных термосопротивлений (датчиков температуры). На статью, посвященную производству тонкопленочных термосопротивлений, я ссылаюсь чуть выше.

На керамическую подложку, обладающую низкой теплопроводностью, напыляются платиновые меандры — токопроводящие дорожки, из которых формируются два термосопротивления.

Первое термосопротивление — нагреватель — имеет номинальное сопротивление R0 = 45 Ом, второе — датчик температуры — имеет номинальное сопротивление R0 = 1200 Ом.

Запускаем датчик скорости потока газа - 5

На подложку также наносятся необходимые соединения и контактные площадки для крепления выводов. Конструкция с обеих сторон покрывается пассивационным слоем из стекла, после чего к датчику крепятся выводы.

Формула расчета скорости потока


Я не вижу смысла углубляться в физику и разбирать вывод формулы для расчета скорости потока, отмечу лишь основные законы, на которых эта формула базируется.

1. Уравнение теплового баланса — зависимость количества теплоты ${displaystyle Q}$, которую отдал среде нагреватель, от разности температур нагревателя и среды ${displaystyle Delta T}$, площади поверхности нагревателя ${displaystyle A}$ и коэффициента теплообмена нагревателя ${displaystyle h}$.

${displaystyle Q=hADelta T}$

2. Закон Кинга, связывающий количество теплоты с мгновенной скоростью потока ${displaystyle v}$

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

Формула для расчета скорости потока, в который помещен элемент FS7, является результатом преобразований и упрощений закона Кинга. Формула имеет следующий вид:

$U=U_{0}sqrt {1+kv^{n}}, где$

${displaystyle U}$ — выходное напряжение схемы
${displaystyle U_{0}}$ — напряжение при отсутствии потока (величина ${displaystyle U_{0}}$ отражает ${displaystyle Delta T}$ — изначальную разницу между температурой нагревателя и температурой среды)
${displaystyle k}$ — коэффициент, который зависит от профиля потока и от положения датчика; значение ${displaystyle k}$ принадлежит диапазону (0.9...0.93)
${displaystyle n}$ — коэффициент, для датчиков FS7 равный 0.51
${displaystyle v}$ — искомая скорость потока

В работе также используют обратную формулу ${displaystyle v=frac {[(U-U_{0})(U+U_{0})]^{{1}/{n}}}{(k^{{1}/{n}})U_{0}^{{2}/{n}}}}$.

Коэффициенты ${displaystyle n}$ и ${displaystyle k}$ подбираются в процессе калибровки датчика (см. ниже).

Схема включения датчика


Датчик FS7 имеет три вывода: контакт нагревателя, контакт датчика температуры, земля.

Запускаем датчик скорости потока газа - 26

Универсальной схемы включения датчика, как и детальных рекомендаций по его монтажу, нет. Причина очевидна — отношение скорости потока к напряжению зависит не только от геометрии чувствительного элемента, но и от параметров среды (температура, состав, давление, наличие механических частиц), а также от геометрии трубы, положения датчика в трубе и от профиля потока. В каждой конкретной задаче этот набор параметров будет отличаться, поэтому подбор номиналов для схемы включения и расчет коэффициентов для расчета скорости потока подбираются для каждой задачи отдельно.

Однако всегда нужно от чего-то отталкиваться, в данном случае оттолкнуться лучше всего из схемы, приведенной в документации на FS7:

Запускаем датчик скорости потока газа - 27

Пример зависимости выходного напряжения от скорости потока:

Запускаем датчик скорости потока газа - 28

Для калибровки датчика используют три точки — нулевая скорость, максимальная скорость потока и точка посередине.

В отсутствии потока фиксируется значение ${displaystyle U_{0}}$. Пусть ${displaystyle U_{0}=3,6}$ В.

При ${displaystyle U=6,6}$ В и ${displaystyle v=6}$ м/c формула ${displaystyle U=U_{0}sqrt {1+kv^{n}}}$ принимает вид ${displaystyle 6,6=3,6sqrt {1+k*6^{n}}}$.

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

Получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными, из которой находим ${displaystyle n=0,50}$ и ${displaystyle k=0,96}$.

Подставив значения ${displaystyle n}$, ${displaystyle k}$ и напряжение ${displaystyle U_{0}}$ в формулу ${displaystyle v=frac {[(U-U_{0})(U+U_{0})]^{{1}/{n}}}{(k^{{1}/{n}})U_{0}^{{2}/{n}}}}$, получим простое выражение для вычисления скорости потока.

Типы датчиков FS7 и модуль FS-flowmodul


Выпускается три стандартных исполнения датчика FS7, которые отличаются друг от друга наличием круглого пластмассового корпуса и рабочим диапазоном температур.

  FS7.0.1L.195 FS7.0.4W.015 FS7.A.1L.195
Диапазон измерений 0...100 м/c
Разрешение 0,01 м/c
Время отклика ~200 мс
Диапазон рабочих температур −20… +150 °C −20… +400 °C −20… +150 °C
Размеры элемента 6.9 x 2.4 мм
Выводы изолированные длиной 195 мм не изолированные длиной 15 мм изолированные длиной 195 мм
Размеры корпуса - Ø 6 мм, длина 14 мм
Розничная цена * 21,29 EUR 25,44 EUR

* В данном случае под розницей мы понимаем количества до 50 штук. Уже на заказе 50+ датчиков цена понизится на 30%. Дальше — больше.

Запускаем датчик скорости потока газа - 45 Запускаем датчик скорости потока газа - 46

На этапе знакомства с датчиками серии FS7 можно также использовать готовый модуль FS-Flowmodul, на котором реализована схема включения.

Запускаем датчик скорости потока газа - 47

Плата FS-Flowmodul имеет три контакта для подключения датчика FS7 с одной стороны и контакты Питание, Земля и Выходной сигнал с другой стороны. Кроме прочего, плата оснащена потенциометром для подстройки выходного напряжения (см. резистор R2 на схеме включения).

Важно отметить, что модуль не предназначен для использования в серийных устройствах. Плата может использоваться только на этапе прототипирования, когда кому-то проще собирать схему самостоятельно, а кому-то удобнее заплатить мне лишние 108 евро и получить готовую отладочную плату :)

Демонстрация


Естественно, для демонстрации работоспособности датчика был выбран самый простой путь. Датчик подключается к FS-Flowmodul, а выход модуля — ко входу АЦП на управляющей плате.
Отладочная плата построена на базе микроконтроллера от SiLabs и подключена к сенсорному TFT-дисплею от Riverdi.

Процессу создания программы для вывода информации на этот дисплей было посвящено целых пять статьей на хабре. Теперь к описанному ранее прототипу для измерения температуры и влажности добавился модуль для измерения скорости потока.

Кстати говоря, когда мы показываем этот прототип живьем, то для демонстрации работы датчиков на них достаточно просто подуть — от дыхания одновременно увеличиваются и влажность, и температура, и скорость потока. К сожалению, этот процесс никак не получается красиво снять на видео, поэтому работа датчика HYT-271 демонстрировалась на кружке кипятка, а для FS7 пришлось соорудить кустарный воздуховод из трубки для чистики аквариума, в которую с помощью велосипедного насоса подается воздух.

Важно: датчик должен быть установлен по центру диаметра трубы, рабочей поверхностью ровно вдоль направления потока.

Примечания


  1. Я допускаю некоторые упрощения при описании описании физических явлений, которые на практике работы с датчиками потока должны быть учтены. Цель сегодняшней публикации — продемонстрировать базовые принципы работы чувствительных элементов FS7. Однако если найдутся комментаторы, готовые раскрыть физику процесса поподробнее, то такие пояснения будут приняты автором с благодарностью, выраженной в скидке на покупку FS7.
  2. Вся информация, которую можно найти в интернете для flow sensor FS5, актуальна и для датчика FS7. В первую очередь рекомендую Application Note FS5 и статью, в которой кроме прочего есть описание профиля потока.

Заключение


В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

upd: все упомянутые датчики и модули доступны со склада.

Автор: ЭФО

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля