uuuulala Feb 6 2017 at 16:44

Запускаем датчик скорости потока газа

6 min

13K

ЭФО corporate blogIndustrial Programming*Robotics development*Programming microcontrollers*Development for IOT*

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.

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,

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" 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.

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.

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 $Q$ , которую отдал среде нагреватель, от разности температур нагревателя и среды $\Delta T$ , площади поверхности нагревателя $A$ и коэффициента теплообмена нагревателя $h$ .

$Q = hA\Delta T$

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

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

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

$U = U_{0}\sqrt {1+kv^{n}}, где$

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

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

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

Схема включения датчика

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

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 $U_{0}$ . Пусть $U_{0} = 3,6$ В.

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

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

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

Подставив значения $n$ , $k$ и напряжение $U_{0}$ в формулу $v = \frac {[(U-U_{0})(U+U_{0})]^{{1}/{n}}}{(k^{{1}/{n}})U_{0}^{{2}/{n}}}$ , 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~~ UPD от 4 июля 2017: 16 EUR	21,29 EUR	25,44 EUR

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 :)

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

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.
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. Больше информации на efo-sensor.ru

Tags:

Hubs: