Запускаем датчик скорости потока газа06.02.2017 17:33

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.

11bf2473a2d54a78ba2a5db178d4b510

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,
916eb2d20e124f9e9516603e825d0c34.png
, а при наличии потока нагреватель начинает отдавать своё тепло окружающей среде.
2b406d2a598f4313ab1acd3f861fe916.png

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.

7a4b7cca97ca40fa8e9c5f03eef322f2.png

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.

ca09ff56a5c54201a9f7c90c3608a4e1.png

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 ${\displaystyle h}$.

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

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.

68d5d26960624b96b17926bd7fba7c65.png

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:

72d04ccac07b4fcfb436e0ffbac73066

Пример зависимости выходного напряжения от скорости потока:

8b339ce0025b42e5b8bac3b9a4bc81ec.png

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 ${\displaystyle 6,6 = 3,6\sqrt {1+k*6^{n}}}$.

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

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 6.9×2.4 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.

8e3a34ad9ba94ef9bcf5eb5233aa3f34.PNG54b1f6da90664ebcb06255272b651865.PNG

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

b250562871614b4ca4286af885f1fa24

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.

Комментарии (1)

  • 6 февраля 2017 в 17:28 (комментарий был изменён)

    0

    ↑

    ↓

    Меня беспокоит трехпроводная схема подключения. Ведь ток от нагревателя возвращается по тому же проводу, который является землей термодатчика, вызывая на нем падение напряжения.

© Habrahabr.ru