06.02.2017 13:44
uuuulala 38 3900 Источник
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 ${\displaystyle Q}$, 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.



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 ${\displaystyle U_{0}}$. 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 x 2.4 мм
Выводы изолированные длиной 195 мм не изолированные длиной 15 мм изолированные длиной 195 мм
Размеры корпуса - O 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 :)

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.
Поделиться с друзьями
-->

Комментарии (38)


  1. REPISOT
    06.02.2017 17:28
    #10055128

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


    1. uuuulala
      06.02.2017 17:59
      #10055208

      Вас мостовая схема беспокоит? Правда?))
      Я сейчас даже в википедии посмотрела, знаете с какого года её используют? С 1843


      1. REPISOT
        06.02.2017 22:30
        #10055570

        Где вы увидели у меня фразу «мостовая схема»?
        проблема в том, что на вашем красивом рисунке

        между узлом и землей надо нарисовать резистор.
        И его сопротивление — это сопротивление соединительного провода, которое зависит от длины.
        А падение напряжения на этом резисторе зависит от протекающего тока, который совсем не константа. И как поведет себя система в таком случае? считали?


        1. uuuulala
          07.02.2017 10:47
          #10055958

          Ваша идея мне всё ещё не понятна, извините)
          Для обсуждения вопроса приглашаю в ветку ниже.


        1. the_turkale_cat
          07.02.2017 12:50
          #10056454
          +1

          + ещё два резистора, кроме земляного, нужно нарисовать, коли речь идёт о проводах длиной несколько ом (по схеме в топикстарте R5 = 51 Ом). +ТКС медного провода порядка на два выше ТКС резисторов, указанных в схеме.
          Потому, как в схеме текут два тока (через PT и RH), стандартные методы, годящиеся для компенсации проводов термосопротивлений не подойдут, нужно свои выдумывать для выноса датчика от аппаратуры.


      1. the_turkale_cat
        06.02.2017 22:36
        #10055576

        Очевидно, что падение напряжения на «земляном» проводе датчика потока добавится в выходное напряжение. Как это повлияет на метрологию, надо считать конкретную схему.


    1. gorbln
      06.02.2017 22:16
      #10055540

      Если это будет вызывать проблемы — можно применить 4-проводную схему, где к земле идёт 2 провода — по одному идёт запитка, а по другому — сигнал для считывания датчика. А соединяются они непосредственно у датчика. Только схему придётся поменять. По такой схеме, кстати, работают точные измерители разного-всякого импенданса и прочего.


      1. REPISOT
        07.02.2017 09:43
        #10055870

        Смысла в этом нет. Это же не RTD. Просто на рисунке вместо одного резистора надо будет нарисовать два, включенных параллельно. Если уж что-то менять, то убрать внутреннее соединение. Но, может быть, специалисты посчитали мост с паразитным сопротивлением, и у них все было хорошо?


        1. uuuulala
          07.02.2017 10:45
          #10055952

          Это же не RTD
          Вот теперь я вас совсем не понимаю.

          Перед вами самая что ни на есть классическая схема включения резистивного датчика. Зачем на этой схеме дорисовывать ничтожное сопротивление провода? Зачем обсчитывать конкретный случай, если все расчетные коэффициенты определяются эмпирически?


          1. REPISOT
            07.02.2017 10:53
            #10055984

            Мост Кельвина — тоже «классическая» схема. Думаете на пустом месте возникла?


            1. uuuulala
              07.02.2017 11:00
              #10056000

              Конечно, не на пустом. Но почему вы считаете этот пример подходящим в данном случае?
              Мост Кельвина используется для сопротивлений до одного ома, в схеме из статьи
              все номиналы выше на порядки              .

              Может быть вы всё-таки не достаточно внимательно прочитали текст перед тем как комментировать? Со всеми бывает)


              1. REPISOT
                07.02.2017 11:06
                #10056026

                Сопротивление подводящего провода достигнет нескольких Ом. При большой длине — десятков Ом. Это тот же порядок, что и сопротивление нагревателя =45 Ом.

                Дело не в абсолютных величинах, а в том, что паразитное сопротивление может достигать того же порядка, что и в мосте. Вот я и спрашиваю: при расчетах это учитывалось?


                1. uuuulala
                  07.02.2017 11:41
                  #10056136
                  -1

                  Хорошо, спасибо за ваши пояснения.

                  Соглашусь, если кому-то вдруг нужно будет включить датчик в схему, где длина проводов будет составлять несколько метров, то этому кому-то нужно быть в курсе о паразитном сопротивлении (вот так сюрприз!).
                  С другой стороны, даже в этом случае для расчета скорости будет использоваться формула с коэффициентами, полученными в результате калибровки датчика, который имеет эти самые длинные выводы.

                  Зачем вы мне советуете на схему включения датчика добавить резистор я всё ещё не знаю.

                  Вот я и спрашиваю: при расчетах это учитывалось?
                  Вы имеете в виду расчеты для случая, который на видео? Тогда нет, не учитывалось. Во-первых, этого не предполагает сама методика расчета скорости, а во-вторых, там выводы 19 см длиной и 0.3 мм диаметром.


                1. premierhr
                  07.02.2017 22:25
                  #10057988

                  При значительном сопротивлении подводящих проводов и значительном токе через резистор подогрева потенциал общей точки измерительного и нагревающего сопротивлений вырастет одинаково, в даташите на приведенный операционник в п. 7.3 указано что синфазное напряжение на входах может достигать величины Uпит-1,2 В. Операционный усилитель усиливает разницу напряжений на его входах, если этой разницы нет то даже если на каждом входе будет по 8 вольт на выходе будет ноль.


          1. REPISOT
            07.02.2017 11:03
            #10056010

            А что тут непонятного? В RTD при четырехпроводной схеме ток после датчика течет по одному проводу. Второй включен на высокоомный вход ОУ. А здесь, если сделать 4 провода, два из них просто будут включены параллельно. Смысла нет.


            1. gorbln
              08.02.2017 09:30
              #10058384

              Так я-ж и сказал, что схему придётся менять. По двум проводам будет питаться нагреватель, а по двум другим — считываться термометр сопротивления. В той схеме. которая приведена в статье — абсолютно бесполезно делать два земляных провода, они будут действительно включены параллельно.


  1. worldmind
    06.02.2017 20:45
    #10055432

    Не читал, но вопрошаю — скорость сквозняка/ветра можно так измерять?


    1. uuuulala
      06.02.2017 21:46
      #10055492

      Какой вы.

      Скорость сквозняка или ветра померить можно, да.


      1. gorbln
        06.02.2017 22:06
        #10055524

        Но не слишком быстро меняющегося =) Я уже узнавал


        1. eka1939
          06.02.2017 22:13
          #10055534

          Поток воздуха во впускном коллекторе автомобиля — это быстро меняющийся? Датчики массового расхода воздуха работают по такому же принципу.


          1. gorbln
            06.02.2017 22:19
            #10055546

            Ну, мне нужен был расходомер для измерения объекта с характеристическим временем переходного процесса 10, что ли, миллисекунд. С такой точки зрения, датчик расхода воздуха в машине — весьма небыстрый, с его характеристическим временем около секунды.


            1. uuuulala
              06.02.2017 23:23
              #10055630
              +1

              С такой точки зрения очень многие процессы весьма небыстрые, конечно.

              Для справки, у FS7 отклик 200 мс, но среди тепловых датчиков расхода IST есть ещё MFS 02 со временем отклика в пределах 10 мс.


              1. gorbln
                07.02.2017 00:24
                #10055682

                Да, там скоростной запирающий клапан, который должен закрыться при прорыве трубы за ним (падении давления за клапаном). И вот как раз форму и время запирания и надо было измерить. К слову, так и не решили эту задачу. MFS02 выглядит весьма привлекательно, возьму на заметку.


                1. uuuulala
                  07.02.2017 10:49
                  #10055964
                  +1

                  Образы на складе, моя почта в профиле, ну вы поняли ;-)


  1. kail
    07.02.2017 02:23
    #10055760

    Только сегодня видел статью на Радиолоцмане о недорогом измерении скорости потока на базе двух недорогих транзисторов.
    Сам темой не интересуюсь, но, может, пригодится кому.

    А компании ЭФО желаю побольше раскрывать информацию о ценах, хотя-бы для штучного заказа.


    1. uuuulala
      07.02.2017 10:53
      #10055986

      Спасибо за ссылку по теме.

      А ваше пожелание под статьей, где указаны все цены на розницу и мелкий опт, выглядит немножко странно.
      Или вы имеете в виду не сегодняшний случай? Может могу помочь с чем-то?


      1. kail
        07.02.2017 11:53
        #10056180

        Ну, я же написал, что измерением скорости потока не интересуюсь (пока что).

        Меня интересовали по работе радиочастотные компоненты суб-ГГц диапазона, но на wless.ru я смог узнать только цены пары чипов silicon labs, а про антенны, например — лишь наличие на складе.
        shop.efo.ru — вообще этакий чёрный ящик: пишешь название — получаешь ответ типа bool.

        Я могу попросить логистов сделать запрос (и так уже делали недавно для компонентов LoRa), но неудобно же.


        1. uuuulala
          07.02.2017 12:04
          #10056236

          Да, извините, я поняла что вы не о датчиках, просто неправильно выразилась.

          Я бы хотела много чего сказать о наших сайтах, но, это будет слишком неуместно в корпоративном блоге ЭФО :) Ограничусь тем что я вас _очень_ хорошо понимаю, поэтому, например, для «своих» датчиков держу информацию о ценах и складе в открытом доступе.

          Свою помощь я предлагаю по той же причине — если у вас есть вопрос по поставке конкретных компонентов, пусть и беспроводных, задайте его мне. Я передам нужному человеку и вы получите информацию быстрее чем через цепочку из ваших логистов и наших продавцов.


          1. kail
            07.02.2017 12:39
            #10056366

            Спасибо, буду иметь ввиду :)
            Сейчас пока что не надо. Скорее даже, уже не надо.


      1. olartamonov
        07.02.2017 12:00
        #10056218

        Статья-то ладно, но на всём рынке с актуальным каталогом, ценой, наличием на складах и без «пишите запрос нашим менеджерам» — один «Компэл» с его СДС.

        И понятно, что если надо сто штук, а не три катушки, то писать каждый раз запрос «а вдруг у них есть, а вдруг дешевле, а вдруг...» пачке поставщиков совершенно неинтересно.

        В итоге вроде через тот же Компэл заказываешь по мелочи, потом смотришь — а суммарно там килобаксы уже.


        1. kail
          07.02.2017 12:33
          #10056346

          Ещё терра есть, и перепродажники из маузера и фарнелла (хотя пока обходился тоже компэлом). Свежеоткрывшийся чип-дип с пока что вкусными ценами стал хорошим поспорьем по сравнению с местными магазинами класса «назовите артикул и мы, может быть, скажем, есть ли оно у нас» и фирмами с одними менеджерами и без склада.
          Но да, в основном всё через запрос, печаль-беда.


          1. olartamonov
            07.02.2017 12:48
            #10056450

            Терра — это дочка Компэла ;)

            У них четыре направления:
            * Компэл — опт
            * Терра — розница и продвижение новых решений для разработчиков
            * ДКО Электронщик — розница
            * Даджет — бытовые гаджеты

            Перепродажники — так большинство всё едино работает по модели «пишите запрос менеджерам», а потом ещё звонят и компостируют мозг предложением откатов (не буду называть имена, кхе-кхе). В результате если перепродажник-агрегатор — то в 9 случаях из 10 это «Элитан» (который работоспособен, только если знаешь точное название компонента, потому что каталог там никакой), Ну иногда «Контест», «Онэлек» и т.п., но это разовые покупки какой-то экзотики, которую внезапно вот именно они знают где добыть.

            А, ну из второго эшелона есть продавцы с нормальными каталогами и автоматизацией работы — «Элтех», «Радиотех-трейд» и т.п. Но там и каталожный ассортимент уже сравнительно узкий.


            1. kail
              07.02.2017 15:57
              #10057076

              Вот как. И Даджет? Моё мнение о Компэле немного ухудшилось)
              Для Контеста, мой город, судя по всему, альма-матер, как и для Базы Электроники (а может это те же люди). Раньше искать там только по названию можно было, сейчас, смотрю, получше стало. Плюс Радио-хит, но там тоже каталог так себе.
              То есть я не обделён поставщиками даже местными поставщиками. Но удобства нет.
              За Элтех спасибо. В Радиотехе уже заказывали, но если нажимаешь кнопку «В наличие на складе» — можно сразу погрустнеть.


              1. olartamonov
                08.02.2017 09:41
                #10058412

                «Радиотех» о возможности поставки быстро отвечает, если что.

                «Элтех» — они прекрасны кварцевыми резонаторами NDK.


  1. shtirlitsus
    07.02.2017 16:26
    #10057154

    А вот у меня вопрос, например. При увеличении влажности, теплоотдача же увеличивается, и при равной скорости ветра, датчик движения воздуха будет охлаждаться быстрее. Измерение скорости будет плавать?


    1. uuuulala
      07.02.2017 16:54
      #10057240

      Вы сами ответили на свой вопрос :) Конечно, изменение влажности, как и другие изменения свойств среды, влияют на теплоотдачу, а значит и на выходное напряжение.

      Такие вещи учитываются при создании схемы включения и именно поэтому производители чувствительных элементов не приводят детальных инструкций по созданию схемы подключения — мало ли что у вас за среда, как она может изменяться и какие поправки нужно обеспечить.

      Разработчики, которым нужно измерять расход / скорость потока, всегда стоят перед выбором: либо покупать готовый модуль (в котором внешние факторы уже обсчитаны и учтены), либо покупать чувствительный элемент типа FS7 и ваять для него электронику самостоятельно. Выбор не очевиден, ибо средний модуль стоит на порядок выше чем средний чувствительный элемент.


      1. shtirlitsus
        07.02.2017 17:22
        #10057300

        Видимо бюджетный немеханический анемометр еще пока рано хотеть.


        1. uuuulala
          07.02.2017 17:35
          #10057348

          Тем более что «бюджетный» — понятие очень растяжимое)