В нынешнем году мы начали представлять в России компанию IST — швейцарского производителя тонкопленочных датчиков температуры, относительной влажности, проводимости жидкости и скорости потока.
Продукция IST — это не масс-маркет, 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 многообразной продукции IST 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.
Тер-мо-а-не-мо-ме-три-ческие датчики
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.
Автор: ЭФО
