ガス流量センサーを起動します

ほぼ1年前、IST-AGによって製造された気体および液体の流速センサーの概要を含む記事が公開されました。



前回、これらの要素の基本的な動作原理を指だけで説明する機会がありましたが、今ではFS7シリーズの熱線風速計に関する非常に有益なストーリーを公開しています。



理論的基礎から始め、自転車のポンプとテープを使用してFS7に基づいたプロトタイプの測定装置をデモするビデオで終わります。







したがって、すべてのIST生産フローセンサーは熱測定原理を使用します-流量は、加熱された物体が流れに与える熱の量から、または流れに沿って加熱された物体に対して対称的に配置された2つの温度センサーの読み取り値の差から計算されます。



前者の場合、流量センサーは熱線と呼ばれ、流れの方向を決定できません。後者の場合、センサーは熱量計と呼ばれ、流れの速度と方向の両方を決定で​​きます。

熱線センサーの動作原理

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今日は、最も単純な設計の敏感な要素である熱線風速計センサーについて話しています。 熱線風速計は、温度センサーと発熱体で構成されています。



流れがない場合、ヒーターの温度は変わりませんが、



ストリームがある場合、ヒーターは環境に熱を与え始めます。





加熱された要素によって流れに与えられる熱量は、媒体の熱物理特性、パイプのパラメーター、および流量に依存します。 媒体の特性とパイプの寸法がわかっている用途では、ヒーターからの熱伝達を使用して流量を計算できます。



温度センサーとヒーターはどちらもプラチナ抵抗温度計です。抵抗は、媒体の温度にほぼ線形に依存する要素です。

熱抵抗について知っておく必要があるのは、記事「 熱抵抗：理論 」および「 熱抵抗：製造プロセス 」です。

両方のサーミスタは、ブリッジ回路に含まれており、流れがない場合にバランスが取られます。 流量が増加すると、ヒーターが冷却され、抵抗が変化し、ブリッジのバランスが崩れます。 不平衡信号は増幅器に供給され、増幅器の出力信号はヒーターにより高い温度を伝え、ブリッジを平衡状態に戻します。 ブリッジのバランスをとるのに必要な電圧の大きさは、流量の関数です。

センサー構造

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IST流量センサーの製造プロセスは、従来のサーミスター（温度センサー）の製造と非常に似ています。 薄膜熱抵抗の生成に関する記事を少しだけ高くします。



熱伝導率の低いセラミック基板上に、2つの熱抵抗が形成された伝導経路の白金蛇行がスプレーされます。



最初の熱抵抗-ヒーター-の公称抵抗はR0 = 45オーム、2番目-温度センサー-の公称抵抗はR0 = 1200オームです。







端子を固定するために必要な接続と接触パッドも基板に適用されます。 両側の構造はガラスのパッシベーション層で覆われ、その後、端子がセンサーに取り付けられます。

流量の計算式

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物理学を掘り下げて、流速を計算するための式の導出を分析する理由はありませんが、この式が基づいている基本的な法則にのみ注意します。



1.熱平衡の方程式-熱量の依存性 $$${\ displaystyle Q}$ ヒーターと媒体の温度差からヒーターが媒体に与えたもの $$${\ displaystyle \ Delta T}$ ヒーターの表面積 $$${\ displaystyle A}$ ヒーターの熱伝達係数 $$${\ displaystyle h}$ 。



$$${\ displaystyle Q = hA \ Delta T}$



2.熱量を瞬間流量に関連付けるキングの法則 $$${\ displaystyle v}$



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



FS7要素が配置される流速を計算する式は、キングの法則の変換と単純化の結果です。 式は次のとおりです。

$$

$$U = U_ {0} \ sqrt {1 + kv ^ {n}}、ここで$$

$$${\ displaystyle U}$ -回路の出力電圧

$$${\ displaystyle U_ {0}}$ -流れがない場合の電圧（値 $$${\ displaystyle U_ {0}}$ 反映する $$${\ displaystyle \ Delta T}$ -ヒーターの温度と媒体の温度の初期差）

$$${\ displaystyle k}$ -流量プロファイルとセンサーの位置に依存する係数。 価値 $$${\ displaystyle k}$ 範囲に属する（0.9 ... 0.93）

$$${\ displaystyle n}$ -係数、FS7センサーが0.51に等しい場合

$$${\ displaystyle v}$ -所望の流量



仕事はまた、逆公式を使用します $$${\ displaystyle v = \ frac {[（U-U_ {0}）（U + U_ {0}）] ^ {{1} / {n}}} {（k ^ {{1} / {n} }）U_ {0} ^ {{2} / {n}}}}$ 。



オッズ $$${\ displaystyle n}$ そして $$${\ displaystyle k}$ センサーのキャリブレーション中に選択されます（以下を参照）。

センサー切り替え回路

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FS7センサーには、ヒーター接点、温度センサー接点、アースの3つの出力があります。







センサーのスイッチを入れるための普遍的なスキーム、およびそのインストールに関する詳細な推奨事項はありません。 理由は明らかです-電圧に対する流量の比率は、敏感な要素の形状だけでなく、媒体のパラメーター（温度、組成、圧力、機械的粒子の存在）、パイプの形状、パイプ内のセンサーの位置、および流量プロファイルにも依存します。 特定のタスクごとに、このパラメータのセットは異なるため、スイッチング回路の定格の選択と流量を計算するための係数の計算は、タスクごとに個別に選択されます。



ただし、常に何かに基づいて構築する必要があります。この場合、FS7のドキュメントに記載されているスキームから脱却することが最善です。







出力電圧の流量依存性の例：







センサーを較正するために、3つのポイントが使用されます-ゼロ速度、最大流量、および中央のポイント。



フローがない場合、値は固定されます $$${\ displaystyle U_ {0}}$ 。 させる $$${\ displaystyle U_ {0} = 3.6}$ B.



で $$${\ displaystyle U = 6,6}$ で $$${\ displaystyle v = 6}$ m / s式 $$${\ displaystyle U = U_ {0} \ sqrt {1 + kv ^ {n}}}$ 形を取る $$${\ displaystyle 6.6 = 3.6 \ sqrt {1 + k * 6 ^ {n}}}$ 。



で $$${\ displaystyle U = 7.5}$ で $$${\ displaystyle v = 12}$ m / s式 $$${\ displaystyle U = U_ {0} \ sqrt {1 + kv ^ {n}}}$ 形を取る

$$${\ displaystyle 7.5 = 3.6 \ sqrt {1 + k * 12 ^ {n}}}$



2つの未知数を持つ2つの方程式のシステムを取得します。 $$${\ displaystyle n = 0.50}$ そして $$${\ displaystyle k = 0.96}$ 。



値の置換 $$${\ displaystyle n}$ 、 $$${\ displaystyle k}$ および電圧 $$${\ displaystyle U_ {0}}$ 式に $$${\ displaystyle v = \ frac {[（U-U_ {0}）（U + U_ {0}）] ^ {{1} / {n}}} {（k ^ {{1} / {n} }）U_ {0} ^ {{2} / {n}}}}$ 、流量を計算するための簡単な式を取得します。

FS7センサータイプとFS-flowmodul

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FS7センサーには3つの標準バージョンがありますが、これらは丸いプラスチックケースの存在と動作温度範囲によって互いに異なります。

	FS7.0.1L.195	FS7.0.4W.015	FS7.A.1L.195
測定範囲	0 ... 100 m / s
許可	0.01 m / s
応答時間	〜200ミリ秒
動作温度範囲	−20 ... +150°C	−20 ... +400°C	−20 ... +150°C
アイテムの寸法	6.9 x 2.4 mm
結論	絶縁長195 mm	15 mmの長さの絶縁されていない	絶縁長195 mm
ケース寸法	-		Ø6 mm、長さ14 mm
小売価格	21.29ユーロ 2017年7月4日更新： 16ユーロ	21.29ユーロ	25,44ユーロ

FS7シリーズセンサーに精通している段階で、スイッチング回路が実装されている既製のFS-Flowmodulモジュールを使用することもできます。







FS-Flowmodulボードには、一方のFS7センサーと他方の電源、グランド、および出力ピンを接続するための3つのピンがあります。 特に、ボードには出力電圧を調整するポテンショメータが装備されています（接続図の抵抗R2を参照）。



モジュールはシリアルデバイスでの使用を目的としていないことに注意することが重要です。 この料金は、誰かが自分で回路を組み立てる方が簡単なプロトタイプ段階でのみ使用でき、誰かにとっては108ユーロを追加して既製のデバッグボードを入手する方が便利です:)

デモンストレーション

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当然、センサーの操作性を示すために最も簡単な方法が選択されました。 センサーはFS-Flowmodulに接続され、モジュール出力は制御ボードのADC入力に接続されます。

デバッグボードは、SiLabsマイクロコントローラーのベース上に構築され、Riverdi TFTタッチスクリーンに接続されます。



このディスプレイに情報を表示するプログラムを作成するプロセスは、 ハブ に関する最大 5つの 記事に 当てられました。 現在、流速を測定するためのモジュールが、温度と湿度を測定するための前述のプロトタイプに追加されました。





ちなみに、このプロトタイプをライブで表示し、センサーの動作を実証するには、息を吐くだけで十分です。呼吸から、湿度、温度、流量の両方が同時に増加します。 残念ながら、このプロセスはビデオでは美しく機能しません。そのため、HYT-271センサーの動作は沸騰したマグカップで示されました.FS7の場合、水槽を掃除するためのパイプから仮設ダクトを構築する必要がありました。



重要：センサーはパイプの直径の中心に設置し、作業面が流れの方向に正確に沿っている必要があります。

注釈

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1. 物理現象の記述を説明する際に、実際にはフローセンサーとの連携を考慮する必要がある簡略化を認めます。 本日の出版物の目的は、FS7検知素子の動作の基本原理を実証することです。 ただし、プロセスの物理をより詳細に明らかにする準備ができているコメンテーターがいる場合、そのような説明は、FS7の購入の割引で表明された感謝の気持ちで著者によって受け入れられます。
   
   
   
   
2. インターネット上でフローセンサーFS5について確認できるすべての情報は、FS7センサーにも関連しています。 まず、 Application Note FS5と、特にストリームプロファイルの説明がある記事をお勧めします。

おわりに

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結論として、私は伝統的に読者の注意に感謝し、Habréについて書いている製品の使用に関する質問は、私のプロフィールで指定されたメールアドレスにも送信できることを思い出させます。



upd：上記のセンサーとモジュールはすべて在庫から入手できます。 efo-sensor.ruの詳細