Датчики
первичные преобразователи, микросхемы, готовые модули
Датчики скорости потока сплошных сред компании IST
Для измерения скорости потока жидкостей или газов используются различные физические эффекты. В датчиках скорости потока используются механические, оптические, электромагнитные, ультразвуковые и другие чувствительные элементы, все они позволяют по косвенным характеристикам определить расход жидкости или газа, проходящего по трубе.
Под расходом может подразумеваться как объем потока (литры в минуту или кубические метры в минуту), так и масса потока (килограммы в минуту), так и его скорость (метры в секунду). Допуская, что в большинстве приложений известны характеристики среды и характеристики трубы, мы будем считать перечисленные понятия тождественными.
Швейцарская компания IST специализируется на производстве тонкопленочных термосопротивлений, поэтому и для измерения скорости потока IST выпускает теплорезистивные чувствительные элементы. В тепловых датчиках потока измерения производятся либо по охлаждению нагретого тела, помещенного в поток (термоанемометрические датчики скорости потока), либо по переносу тепловой энергии между двумя точками, расположенными вдоль потока (калориметрические датчики скорости потока).
В портфолио компании IST есть датчики, использующие оба принципа измерения.
Термоанемометрические чувствительные элементы
Датчики FS5, FS7, модуль Out Of Liquid
В простейшем случае чувствительный элемент состоит из нагревательного элемента и датчика температуры, которые по сути являются термосопротивлениями. При отсутствии потока температура микронагревателя остается неизменной, а при наличии потока нагреватель начинает отдавать тепло среде.
Количество тепла, которое отдается потоку, зависит от разности температур нагревателя и теплофизических характеристик среды, а также от параметров трубы и от скорости потока. Поскольку начальная разность температур определяется схемой включения датчика расхода, а параметры трубы известны, теплоотдача нагревательного элемента может использоваться для измерения скорости потока. Таким образом, скорость потока рассчитывается как функция от разности температур нагревателя и датчика температуры.
Калориметрические чувствительные элементы
Калориметрические тепловые датчики потока предназначены для относительно медленных потоков с переменным направлением. Элемент состоит из трех элементов — микронагревателя и двух датчиков, измеряющих температуру до и после него.
В отсутствии потока тепловое пятно неподвижно, поэтому справа и слева от нагревателя сплошная среда имеет одну и ту же температуру. При возникновении потока тепловое пятно «сдвигается» согласно направлению и скорости потока. Таким образом, при известных параметрах трубы и характеристиках среды скорость потока может быть измерена как функция от разности показаний датчиков температуры.
Комбинация двух принципов измерений
Диапазон измерений калориметрических датчиков ограничивается самим принципом их работы — при определенной скорости потока тепловое пятно «сдвигается» слишком далеко и разность показателей правого и левого датчиков уже не позволяет судить о скорости потока. Обеспечить чувствительность датчика в более широком диапазоне скоростей можно, используя комбинацию калориметрического и термоанемометрического принципов измерения, то есть на относительно малых скоростях используется калориметрический принцип, а на б ́ольших скоростях, когда направление потока уже известно, используется термоанемометрический (тот же микронагреватель и дополнительный датчик температуры).
ТЕПЛОВЫЕ ДАТЧИКИ ПОТОКА СЕРИИ FS7 (ГАЗ, НЕКОТОРЫЕ ЖИДКОСТИ)
Датчики серии FS7 представляют собой термоанемометрический чувствительный элемент и являются более современной заменой аналогичным датчикам серии FS5. Датчики применяются для газов и некоторых жидкостей.
Датчики FS7 представляют собой керамическую подложку, на которую нанесены два платиновых термосопротивления, одно из них выполняет роль микронагревателя, другое — роль датчика температуры. Конструкция покрыта изолирующим слоем из стекла, а сам элемент имеет три вывода: контакт нагревателя, контакт датчика температуры и земля.
Датчики серии FS7 имеют три стандартных исполнения:
- бескорпусной датчик с изолированными выводами длиной 195 мм,
- аналогичный датчик в круглом пластмассовом корпусе,
- датчик для температур до +400°C (без корпуса, неизолированные выводы 15 мм).
Другие характеристики стандартных датчиков серии FS7 представлены в таблице. По запросу изготавливаются нестандартные исполнения элемента FS7.
FS7.0.1L.195 | FS7.0.4W.015 | FS7.A.1L.195 | |
Диапазон измерений | 0. 100 м/c | ||
Разрешение | 0,01 м/c | ||
Индикация направления потока | нет | ||
Время отклика | |||
Диапазон рабочих температур | −20 .. +150 °C | −20 .. +400 °C | −20 .. +150 °C |
Размеры элемента | 6.9 x 2.4 мм | ||
Размеры корпуса | без дополнительного корпуса | дополнительный пластмассовый корпус Ø 6 мм, длина 14 мм | |
Наличие на складе | Наличие на складе | Наличие на складе |
Стоимость
В таблице указаны цены для заказа датчиков в количестве до 50 штук. Вы можете рассчитывать на существенное снижение цены при заказе оптовых количеств, например при заказе от 100 шт. цена датчиков потока снизится на 30%, а при заказе партии от 1000 шт. — почти на 50%.
Информацию о применении датчика FS7 также можно почерпнуть из статьи «Запускаем датчик потока газа».
ТЕПЛОВЫЕ ДАТЧИКИ ПОТОКА СЕРИИ FS2 (ГАЗ, НЕКОТОРЫЕ ЖИДКОСТИ)
Датчики серии FS2 — это калориметрические чувствительные элементы, предназначенные для определения не только скорости, но и направления потока. Элемент состоит из нагревателя, двух датчиков температуры слева и справа от него, и дополнительного компенсирующего датчика температуры. Все четыре элемента представляют собой термосопротивления разного номинала, которые включаются в мостовую схему.
В качестве калориметрического элемента, датчик позволяет определять скорость и направление потока, однако когда скорость превышает 1 м/c, датчик может быть переключен в режим термоанемометра. Датчики FS2 применяются для газов и некоторых жидкостей.
Диапазон измерений | 0. 100 м/c (анемометрический режим) 0. 1 м/c (калориметрический режим) | ||
Разрешение | 0,001 м/c | ||
Индикация направления потока | да | ||
Время отклика | |||
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 | 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.
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.
Источник