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.
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.
Зачем измеряют скорость воздуха
Для систем вентиляции и кондиционирования одним из важнейших факторов является состояние подаваемого воздуха. То есть, его характеристики.
К основным параметрам воздушного потока относятся:
- температура воздуха;
- влажность воздуха;
- расход количества воздуха;
- скорость потока;
- давление в воздуховоде;
- другие факторы (загрязненность, запыленность…).
В СНиПах и ГОСТах описаны нормированные показатели для каждого из параметров. В зависимости от проекта величина этих показателей может изменятся в рамках допустимых норм.
Скорость в воздуховоде строго не регламентируется нормативными документами, но в справочниках проектировщиков можно найти рекомендуемые значение этого параметра. Узнать как рассчитать скорость в воздуховоде, и ознакомится с ее допустимыми значениями можно прочитав данную статью.
Например, для гражданских зданий рекомендуемая скорость движения воздуха по магистральным каналам вентиляции лежит в пределах 5-6 м/с. Правильно выполненный аэродинамический расчет решит задачу подачи воздуха с необходимой скоростью.
Но для того чтобы постоянно соблюдать этот режим скорости, нужно время от времени контролировать скорость перемещения воздуха. Почему? Через некоторое время воздуховоды, каналы вентиляции загрязняются, оборудование может давать сбои, соединения воздуховодов разгерметизируются. Так же, измерения необходимо проводить при плановых проверках, чистках, ремонтах, в общем, при обслуживании вентиляции. Помимо этого, измеряют также скорость движения дымовых газов и др.
Все устройства такого типа компактны и несложны в использовании, хотя и тут есть свои тонкости.
Приборы для измерения скорости воздуха:
- Крыльчатые анемометры
- Температурные анемометры
- Ультразвуковые анемометры
- Анемометры с трубкой Пито
- Дифманометры
- Балометры
Крыльчатые анемометры одни из самых простых по конструкции устройств. Скорость потока определяется скоростью вращения крыльчатки прибора.
Температурные анемометры имеют датчик температуры. В нагретом состоянии он помещается в воздуховод и по мере его остывания определяют скорость воздушного 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 , которую отдал среде нагреватель, от разности температур нагревателя и среды , площади поверхности нагревателя и коэффициента теплообмена нагревателя .
2. Закон Кинга, связывающий количество теплоты с мгновенной скоростью потока
, где
— выходное напряжение схемы
— напряжение при отсутствии потока (величина
отражает
— изначальную разницу между температурой нагревателя и температурой среды)
— коэффициент, который зависит от профиля потока и от положения датчика; значение
принадлежит диапазону (0.9…0.93)
— коэффициент, для датчиков FS7 равный 0.51
— искомая скорость потока
В работе также используют обратную формулу .
Коэффициенты и подбираются в процессе калибровки датчика (см. ниже).
Как проводят измерения
Существуют некоторые нюансы работы с анемометрами разных видов. Как уже упоминалось, анемометры с трубкой Пито нельзя использовать при высоких концентрациях твердых частичек, иначе трубка быстро засоряется, а прибор выходит из строя. Термоанемометры не работают в условиях измерения высоких скоростей воздушного потока — свыше 20 м/с.
Измерения скорости воздуха можно проводить в воздуховодах, на выходе из воздуховодов, в вентиляционных решетках или диффузорах.
Когда измерение скорости проводят непосредственно в воздуховоде, то место измерения должно находится после прохождения потока через фильтры. На воздуховоде следует найти специальное отверстие, которое предназначено для контрольно-измерительных операций (такие отверстия часто закрывают питометражной заглушкой). Также можно использовать очистной лючок.
[important] Следует помнить, что отверстие для контрольно-измерительных операций должно находится на прямом участке воздуховода. Его длинна не менее 5 диаметров воздуховода [/important]
При произведении замеров трубкой Пито, ее вставляют в воздуховод, направляя против потока воздуха.
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.
Для калибровки датчика используют три точки — нулевая скорость, максимальная скорость потока и точка посередине.
В отсутствии потока фиксируется значение . Пусть В.
При В и м/c формула принимает вид .
При В при м/c формула принимает вид
Получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными, из которой находим и .
Подставив значения , и напряжение в формулу , 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 | – | Ø 6 мм, длина 14 мм | |
| Розничная цена | 21,29 EUR UPD от 4 июля 2017: 16 EUR |
21,29 EUR | 25,44 EUR |
Предлагаем ознакомиться Как утеплить внешнюю стену в квартире или доме
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 🙂
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.
С помощью современных приборов для измерения скорости воздуха можно точно и быстро определить характеристики воздушного потока с минимальной погрешностью, что позволит легко произвести техническое обслуживание системы вентиляции.
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 целыхпятьстатьейнахабре. 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.
- 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.
