- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Почти год назад была опубликована статья [1] 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.
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.
В отсутствии потока температура нагревателя остается неизменной,
а при наличии потока нагреватель начинает отдавать своё тепло окружающей среде.
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 [2]" и "Термосопротивления: производственный процесс [3]"
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.
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.
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.
1. Уравнение теплового баланса — зависимость количества теплоты , которую отдал среде нагреватель, от разности температур нагревателя и среды , площади поверхности нагревателя и коэффициента теплообмена нагревателя .
2. Закон Кинга, связывающий количество теплоты с мгновенной скоростью потока
, где
Формула для расчета скорости потока, в который помещен элемент FS7, является результатом преобразований и упрощений закона Кинга. Формула имеет следующий вид:
— выходное напряжение схемы
— напряжение при отсутствии потока (величина отражает — изначальную разницу между температурой нагревателя и температурой среды)
— коэффициент, который зависит от профиля потока и от положения датчика; значение принадлежит диапазону (0.9...0.93)
— коэффициент, для датчиков FS7 равный 0.51
— искомая скорость потока
В работе также используют обратную формулу .
Коэффициенты и подбираются в процессе калибровки датчика (см. ниже).
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:
Пример зависимости выходного напряжения от скорости потока:
Для калибровки датчика используют три точки — нулевая скорость, максимальная скорость потока и точка посередине.
В отсутствии потока фиксируется значение . Пусть В.
При В и м/c формула принимает вид .
При В при м/c формула принимает вид
Получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными, из которой находим и .
Подставив значения , и напряжение в формулу , получим простое выражение для вычисления скорости потока.
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.
На этапе знакомства с датчиками серии FS7 можно также использовать готовый модуль FS-Flowmodul, на котором реализована схема включения.
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 :)
Процессу создания программы для вывода информации на этот дисплей было посвящено целых [4] пять [5] статьей [6] на [7] хабре [8]. 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.
upd: все упомянутые датчики и модули доступны со склада.
Автор: ЭФО
Источник [11]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/programmirovanie-mikrokontrollerov/240954
Ссылки в тексте:
[1] статья: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/280031/
[2] Термосопротивления: теория: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/312898/
[3] Термосопротивления: производственный процесс: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/314192/
[4] целых: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/308440/
[5] пять: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/309918/
[6] статьей: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/310058/
[7] на: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/310720/
[8] хабре: https://habrahabr.ru/company/efo/blog/311816/
[9] Application Note FS5: https://www.ist-ag.com/sites/default/files/AFFS5_E.pdf
[10] статью: http://www.azosensors.com/article.aspx?ArticleID=26
[11] Источник: https://habrahabr.ru/post/321108/?utm_source=habrahabr&utm_medium=rss&utm_campaign=best
Нажмите здесь для печати.