В нынешнем году мы начали представлять в России компанию IST — швейцарского производителя тонкопленочных датчиков температуры, относительной влажности, проводимости жидкости и скорости потока.
Вообще говоря, продукция IST — это не масс-маркет и они не выпускают аналоги DHT22 миллионные тиражи дешевых микросхем для стандартных применений. Вместо этого упор делается на специальные задачи: нестандартные конструктивы и диапазоны температур, повышенная точность, минимальное время отклика и так далее.
Среди этой многообразной продукции есть такая интересная штука как flow sensors — датчики скорости потока сплошных сред. Под катом рассказываю как они работают, как выглядят и зачем нужны. Думаю что это будет интересно не только разработчикам расходомеров 😉
Итак, для измерения расхода жидкостей или газов используются различные физические эффекты. Для измерения скорости потока используют механические, оптические, электромагнитные, ультразвуковые и другие чувствительные элементы, позволяющие по косвенным характеристикам определить расход сплошной среды, проходящей по трубе.
Здесь заметим, что под расходом может подразумеваться как объем потока (литры в минуту или кубические метры в минуту), так и масса потока (килограмм в минуту) или его скорость (метры в секунду). Допуская, что в большинстве приложений известны и характеристики среды, и характеристики трубы, в которой движется поток, мы будем считать все перечисленные понятия тождественными.
Поскольку бОльшую часть продукции IST всегда составляли платиновые датчики температуры (термометры сопротивления), для определения скорости потока также используются тепловые эффекты.
В тепловых расходомерах измерения производятся либо по охлаждению нагретого тела, помещенного в поток — термоанемометры, либо по переносу тепловой энергии между двумя расположенными вдоль потока точками — калориметрические расходомеры. Посмотрим как используются оба принципа в реальных приложениях.
Термоа-не-мо-ме-три-ческие датчики. Серия FS5 / FS7
Расходомеры с термоанемометрическими преобразователями применяются преимущественно для потоков газов. В простейшем случае они состоят из нагревательного элемента и датчика температуры. Фактически это два резистора, на базе которых реализуется следующий алгоритм:
При отсутствии потока температура микронагревателя остается неизменной, а при наличии потока нагреватель начинает отдавать тепло внешней среде. Количество тепла, которое отдается потоку, зависит от нескольких факторов: от начальной разности температур нагревателя и среды, от параметров трубы и собственно от скорости потока.
Поскольку разность температур определяется схемой включения датчика расхода, а параметры трубы мы считаем неизменными, теплоотдача нагревательного элемента может использоваться для измерения скорости потока.
Нагреватель и датчик температуры включаются в мостовую схему, которая уравновешена в отсутствии потока и разбалансирована при изменении сопротивления нагревателя. При увеличении скорости потока нагреватель охлаждается, мост разбалансируется и сигнал разбаланса поступает на усилитель. Выходной сигнал усилителя сообщает нагревателю более высокую температуру и приводит мост обратно в равновесное состояние. Этот же сигнал используется как выходной, т.е. как функция скорости потока.
При известных параметрах трубы, положения датчика, типа потока, а также неизменных теплофизических характеристиках газа (состав, давление, температура) такая функция может быть вычислена по одной из общеизвестных методик.
На рисунке приведен пример схемы включения датчика расхода и график зависимости напряжения Uflow от скорости потока.
По такому принципу работают датчики серий FS5 и FS7. На керамической подложке из диоксида циркония наносятся тонкопленочные меандры – платиновые микронагреватель и датчик температуры, между которыми предусмотрены соединения. Вся конструкция покрыта тонким изолирующим слоем из стекла.
Чувствительные элементы такой конструкции позволяют измерять скорость потока в диапазоне от 0 до 100 м/c с чувствительностью 0.01 м/c и погрешностью менее 3 % от измеряемой величины. Впрочем, точность измерений также зависит от используемой электрической схемы и способа калибровки датчика.
Диапазон рабочих температур датчика составляет -20… 150 °C для стандартного исполнения, однако IST практикует изготовление датчиков с допустимой температурой вплоть до +450 °C.
На рисунке показаны стандартные исполнения датчиков FS5 / FS7 — в корпусе и без него. Здесь и далее все размеры измерения приведены в миллиметрах.
Отмечу, что описанный принцип измерений позволяет не предъявлять никаких требований к монтажу датчика к трубе — сверху-снизу-вдоль-поперек, главное не изменять положение чувствительного элемента по ходу измерений.
Об агрессивных средах
Для того чтобы использовать анемометрический датчик для приложений, требующих изоляции чувствительного элемента и нагревателя от потока, необходим специализированный конструктив. Стандартным решением от IST является небольшая трубка из нержавеющей стали, на поверхности которой размещены микронагреватель и датчик температуры.
Такая трубка располагается вдоль направления потока и обеспечивает высокую устойчивость к воздействию химических веществ и рабочий температурный диапазон от -50 °C до +180 °C.
В линейке flow sensors существуют и другие специальные решения, например можно приспособить датчики для определения наличия в жидкости пузырьков, пленок и др.
Об определении направления потока
Термоанемометрические расходомеры имеют некоторые очевидные ограничения. В частности, они не позволяют определить направление потока и не подходят для приложений, требующих высокой чувствительности датчика.
Калориметрические расходомеры, напротив, предназначены для относительно медленных потоков газа с переменным направлением. Калориметрический датчик состоит из трех элементов – микронагревателя и двух датчиков, измеряющих температуру до и после него. В отсутствии потока тепловое пятно, излучаемое нагревателем, 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 по разности показаний датчиков температуры.
При производстве колориметрического датчика на керамическую подложку наносятся четыре платиновых меандра (резистора) и соединения между ними. Из двух резисторов состоит микронагреватель, два других резистора являются датчиками температуры.
Поскольку при наличии потока нагревательный элемент охлаждается, а для измерений этот процесс уже не используется, на датчике расхода предусматривается дополнительный компенсационный датчик температуры. Это пятый резистивный элемент на подложке.
По такому принципу построены датчики серии FS2. С их помощью можно определять как направление, так и скорость потока. В диапазоне от 0 до 2.5 м/c датчик имеет чувствительность 0.001 м/c.
Диапазон измерений калориметрических датчиков ограничивается самим принципом его работы – при определенной скорости потока тепловое пятно «сдвигается» слишком далеко и разность показателей правого и левого датчиков уже не позволяет судить о скорости потока.
Это досадное свойство калориметрических датчиков довольно легко обходится. Когда поток достигает определенной скорости, можно «переключиться» на работу в термоанемометрическом режиме — просто-напросто использовать пару нагреватель / компенсирующий датчик температуры по уже известному нам принципу.
При использовании комбинации двух способов измерения модуль величины скорости потока на большей части диапазона определяется квадратичной функцией от напряжения Uflow (нижний график), а направление потока – по напряжению с полномостовой схемы, состоящей из пары датчиков и микронагревателя.
О работе с «микропотоками»
Если задача вообще не предполагает работы с потоками со скоростью более 1.5 м/c, то можно говорить о «микропотоках». Датчики серии MFS02 (Micro Flow Sence) предназначены именно для них. MFS02 имеет максимальную чувствительность (0,0003 м/с) и скорость срабатывания (время отклика менее 10 мс).
Структурно датчик MFS02 похож на FS2 и состоит из микронагревателя, пары датчиков температуры и дополнительного компенсирующего датчика. Однако MFS02 изготавливаются по другому технологическому процессу: в стеклокерамической подложке датчика выделяется зона, представляющая собой мембрану. Предполагается, что в поток погружается только мембрана, поэтому именно на ней располагаются компоненты для калориметрических измерений, а компенсирующий датчик установлен вне мембраны. И действительно, если для MFS02 не предусмотрен анемометрический режим работы, компенсирующий датчик по-честному служит только для компенсации охлаждения нагревателя.
Датчик MFS02 размером всего 3.5 x 5.1 мм, поэтому он также доступен в составе плат-расширений, предоставляющих доступ к выводам расходомера.
Заключение
В заключении поблагодарю читателя за внимание и робко напомню, что вопросы о применении продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.
ссылка на оригинал статьи https://habrahabr.ru/post/280031/
Добавить комментарий