Какой датчик имеет встроенные показания расхода и скорости?

Время на прочтение

ЕЕ 75 – датчик скорости потока воздуха (до 40 м/с) с функцией расходомера для различных диаметров трубопроводов (Ø задается с помощью ПО при подключении к компьютеру)

Температура процесса, °С

Серия преобразователей скорости потока воздуха ЕЕ75 была разработана для достижения точных результатов измерений на широком диапазоне скоростей и температур. Встроенная температурная компенсация минимизирует чувствительность преобразователей ЕЕ75 к перепадам температур. Помимо измерения скорости потока и температуры прибор может калькулировать объемный расход в м3/мин. Для этого необходимо знать поперечное сечение канала. Величина объемного расхода будет отображаться на дисплее и направляться на один из аналоговых выходов.

Преимущества

• Высокая точность
• Измерение скорости потока воздуха и температуры
• Рабочий диапазон измерений 0..40м/с, -40.. +120 С
• Расчет объемного расхода
• Независимость от угла монтажа
• Диаметр зонда 8 мм
• Опциональный удаленный зонд до 10 м
• Простой монтаж и обслуживание
• Корректировки по давлению, влажности и типу среды
• Функция отсечения низкого потока
• Опционально: зонд для использования с высоким давлением

Применение

• Мониторинг входящего и исходящего воздуха (учет тепла)
• ОВК (Отопление, вентиляция, кондиционирование)
• Фармацевтическая промышленность
• Стравливающие системы
• Ветряные туннели
• Воздуховоды
• Мониторинг приточного и отработанного воздуха
• Мониторинг фильтров и контроль ламинарных потоков в чистых комнатах системы вытяжки, вытяжные шкафы и перчаточные боксы в фармацевтической, био- и полупроводниковой промышленности
• Мониторинг и измерение систем сжатого воздуха
• Имитаторы аэродинамических труб и климата

датчиком скорости и расхода воздуха понимается измерительное устройство, которое применяется для определения скорости ветра, а также скорости газовых или воздушных потоков.
В зависимости от принципа работы анемометра, все датчики расхода воздуха можно разделить на:

• чашечные
• лопастные
• тепловые
• ультразвуковые.

Наиболее простым по конструкции является , который был изобретен полтора века назад. Чашечный анемометр включает в себя четыре расположенные симметрично чашечки, которые вращаются под действием скорости ветра. При этом скорость вращения чашечек прямо пропорциональна скорости воздуха. Особенностью чашечного анемометра является то, что он не чувствителен к изменению направления ветра.

лопастного датчика скорости воздуха аналогичен чашечному, однако, в отличие от него, он чувствителен к изменению направления потока воздуха, поэтому в условиях измерения скорости ветра необходимо использовать флюгер, который будет позволять разворачиваться прибору.

Ультразвуковой датчик скорости воздуха работает на основе того факта, что скорость звука изменяется в зависимости от направления потока воздуха. При этом есть двухмерные и трехмерные ультразвуковые датчики скорости воздуха. Особенностью первых является то, что они позволяют измерять скорость воздуха только в двухмерной системе координат.

Что касается сферы применения анемометров, то они активно используются в метеорологических службах, а также в различных воздуховодах, системах вентиляции, кондиционирования в тоннелях, шахтах и в производственных помещениях. Кроме этого очень часто датчики скорости воздуха применяются специалистами в области охраны труда для того, чтобы определить условия труда на рабочем месте.

Сегодня, наверное, нет ни одной сферы деятельности человека, в которой бы не использовались анемометры.

В случае, если вам необходимо приобрести и установить датчик скорости воздуха, то вы можете обратиться в компанию «Полтраф», которая занимается поставкой датчиков скорости воздуха производства известной австрийской компании E+E ELEKTRONIK, зарекомендовавшей себя с положительной стороны качеством продукции и вполне доступной стоимостью.

Если же вы ни разу не сталкивались с проблемой выбора датчика скорости воздуха, то специалисты компании «Полтраф» ответят на все возникшие вопросы и предложат наиболее оптимальный вариант анемометра в конкретном случае.

Есть в машине один датчик, поломка которого в одних случаях опасна мелочью типа отказавшего спидометра, а в других приводит к действительно неприятным последствиям. Речь идёт о датчике скорости. Не о том, который стоит на ступице и обеспечивает работу ABS (его часто так и называют – датчик ABS), а о том, который стоит где-нибудь на коробке передач, раздатке или редукторе. Почему в некоторых случаях его поломка не слишком опасна, а в других обеспечивает серьёзную головную боль владельцу автомобиля? Тут всё зависит от того, какой тип ДСА (датчика скорости автомобиля) используется и для для чего он нужен в конкретной машине.

Есть контакт, нет контакта​

Все датчики скорости можно условно разделить на две большие группы. В первую группу входят довольно примитивные механические устройства, которые сейчас свой век практически отживают. Такие датчики – это просто набор шестерёнок, который обычно стоит где-нибудь на коробке передач. К нему присоединяется одна единственная деталь – тросик привода спидометра. Тросик идёт непосредственно к спидометру. В этом случае ДСА всего лишь крутился валом коробки, тросик соединяется с механизмом спидометра, который показывает скорость автомобиля в зависимости от скорости вращения вала коробки передач. Всё очень просто и не слишком точно. Зато вполне надёжно.

Ломался такой датчик редко. Чаще выходил из строя тросик привода спидометра, а не сам датчик, но результат при обеих поломках всегда был одинаковым: стрелка спидометра беспомощно ложилась на ноль и никак не реагировала на скорость автомобиля. Грустно, печально, не очень удобно, но на параметры работы всех остальных систем автомобиля эта поломка никак не влияла. Как он ехал с датчиком, так ехал и без него. Только непонятно, с какой скоростью.

На новых автомобилях такое устройство не встретишь. Сейчас стали популярными датчики второй группы – электронные. В большинстве случаев они передают не механическое вращение из коробки передач или редуктора, а сигнал об их скорости вращения электронному блоку управления (ЭБУ). А уж тот по своему алгоритму считает скорость, передаёт её спидометру, а он в свою очередь показывает её стрелочкой водителю. Говорю «в большинстве случаев», потому что иногда сигнал может идти прямо к контроллеру спидометра, который передаёт данные ЭБУ. Но сути дела это не меняет. Главное, что электронный датчик способен менять параметры работы двигателя. И вот поэтому выход из строя такого ДСА обязательно скажется не только на работе спидометра, но и на работе мотора. Чуть подробнее на этом остановимся ниже, а пока посмотрим, как устроены современные электронные датчики скорости.

Их тоже можно поделить на две группы: контактные и бесконтактные. Первые по принципу работы похожи на простые механические ДСА. В них есть механическая связь коробки передач (или раздаточной коробки, или редуктора) с непосредственно датчиком. Связь обычно реализуется таким же простым тросиком или валом. Но на этом всё сходство заканчивается, потому что дальше начинает работать не столько механика, сколько электричество. Точнее, эффект Холла (напомню: это такое физическое явление, основанное на том, что во время размещения проводника с постоянным током в магнитном поле возникает электрическое напряжение). В итоге формируется сигнал, который далее может идти либо сразу на спидометр, либо сначала в ЭБУ. Датчики такого типа так и называются – контактные датчики на основе эффекта Холла. И это наиболее популярная конструкция.

Помимо контактных датчиков на основе эффекта Холла существуют и бесконтактные датчики Холла. В этом случае реперный (задающий) диск может стоять на любом валу, скорость вращения которого прямо пропорциональна скорости движения автомобиля (например, на том же вторичном валу КПП).

Вместе с этим, помимо эффекта Холла датчики могут использовать и другие эффекты. Существуют ДСА, основанные на магниторезистивном эффекте или на оптоэлектронном. В первом случае в датчике есть магниторезистивный элемент, который способен менять своё сопротивление в магнитном поле. Тут есть некоторые общие черты с датчиком Холла, но эффект использован всё же другой. Ну а оптоэлектронные датчики – одни из самых простых. В них сигнал образуется с помощью пары – светодиода и фототранзистора. Между ними на валу (или с помощью связанного с ним привода) вращается диск с прорезями, фототранзистор «считает» вспышки от светодиодов и генерирует сигнал с данными о скорости вращения вала для своего контроллера.

Наверное, многие уже заметили, что с технической точки зрения датчики скорости очень похожи, например, на датчики положения коленвала. Они используют те же эффекты и по сути решают похожую задачу: фиксировать вращение и передавать данные о его скорости блоку управления. Только ДПКВ «наблюдают» за мотором, а ДСА – за трансмиссией.

Что, если сломается?

Теперь поговорим о том, для чего используется датчик скорости. Первая его функция очевидна: без него не может работать спидометр. Но, как я уже говорил, современные датчики намного умнее старых железяк с тросиком. Поэтому и задач у них намного больше.

Используя сигнал с ДСА, блок управления может корректировать состав топливной смеси и угол опережения зажигания. Причём он это делает не только исходя из данных скорости, но и учитывая ускорение и замедление автомобиля. За один только километр пути ДСА может передать ЭБУ до 25 тысяч сигналов (хотя обычно всё-таки количество импульсов скромнее – шесть тысяч), так что этот датчик отлично замечает все изменения скорости, а не только скорость в отдельно взятый момент. И эти данные ЭБУ постоянно использует и для коррекции смеси, и для коррекции зажигания. Это нужно не столько для обеспечения динамики, сколько для топливной экономии (хотя и для динамики тоже). Поэтому если сигнал от ДСА пропадёт, машина иногда на это может отреагировать только ростом расхода топлива. Но возможны и другие проявления смерти датчика: неровные холостые обороты или внезапные рывки или провалы при наборе скорости. Ну и никто не отменял лампу Check Engine, которая может загореться из-за ошибки ДСА.

Другая функция этого датчика – обеспечение работы некоторых систем, связанных с активной безопасностью и комфортом. Некоторые системы динамической стабилизации используют данные о скорости для адекватной работы, поэтому их ошибки могут быть тоже вызваны некорректными или отсутствующими данными от ДСА. Ну и немного реже встречаются неисправности в рулевом управлении. В этом случае датчик скорости помогает изменять усилие на руле в зависимости от скорости движения автомобиля (на высокой скорости усилие на руле должно расти, а на месте руль должен крутиться проще, например, для парковки). Так что забарахливший датчик скорости может обеспечить целый букет неизвестно откуда взявшихся «глюков».

Само собой, возникает вопрос: а как проверить датчик скорости?

Немного диагностики и грусти

Очень хорошо, если есть ошибка, которую можно считать сканером. Вроде бы, виновника «тупизны» машины можно обнаружить сразу. Но не стоит тут же бросаться менять этот датчик. Он выходит из строя редко, а вот его проводка может подвести в любой момент. Поэтому сначала надо всё же проверить именно её, особенно внимательно проверив все разъёмы (они окисляются первыми).

К сожалению, своими силами, без опыта и осциллографа, более-менее точно можно проверить только один датчик – тот, работа которого построена на эффекте Холла. Принцип проверки довольно простой: один щуп вольтметра нужно прижать к «массе» автомобиля, второй – к клемме импульсного сигнала. И при включенном зажигании заставить датчик крутиться. Это можно сделать по-разному. Кому-то удобнее снять датчик и крутить его чем-то подходящим, кто-то предпочитает поддомкратить колесо и крутить его. Тут всё по своему желанию, как хочется. Главное – найти нужные контакты. Если датчик рабочий, при его вращении будут заметны скачки напряжения. Если вольтметр на вращение не реагирует, датчик мёртв. Или вы его неправильно подсоединили к мультиметру, что тоже возможно.

Все остальные датчики, к сожалению, таким способом проверить нельзя. А как их проверять осциллографом, рассказывать не буду. У кого осциллограф есть, он и так это знает, у кого его нет, тот не станет его покупать только ради проверки ДСА. И это правильно. Так что придётся смириться и проверять его в сервисе.

Советов по замене датчика скорости давать не буду. Они очень разные, и тут всё зависит от машины. Где-то его снять легко, а где-то придётся помучиться. Так что в любом случае надо изучать мануал по собственной машине. И совет тут будет только один: не надо пытаться подбирать похожие датчики. Ставить нужно именно тот, который стоит с завода. Даже если датчик встал на место родного как положено, а машина не возражает против «колхозного» ДСА, из-за немного других характеристик он может показывать совсем не то, что должен показывать заводской датчик. И вряд ли после такой замены машина поедет лучше. Конечно, подобрать хороший аналог от известного производителя – дело святое, но ставить что попало не надо. Выйдет себе дороже.

У вас когда-нибудь выходил из строя ДСА?

Послесловие, или о пользе анемометрии в быту

В завершении материала отметим, что приведенные примеры использования не раскрывают потенциала собранного DIY анемометра. В голову приходит множество кейсов. От создания системы мониторинга вытяжки с передачей данных в облако до автоматизации охлаждения майнинг-фермы или лазерного резака. От создания “анемометра для охотников” до использования решения для измерения скорости полета дрона.

Хотели бы попросить уважаемое сообщество поделиться своими идеями и проектами, так или иначе связанными с измерением воздушного потока. Самые интересные и амбициозные задачи мы готовы взять в работу и описать в формате аналогичной статьи.

Ну и конечно крепко обнимаем сообщество Хабра за уделенное время и интерес к электронике и DIY.

Собираем DIY термоанемометр

Скучная лекция закончилась, возвращаемся к нашему DIY.

Нам необходимо собрать железку, выполняющую три задачи:

• проводить замеры скорости потока в ручном режиме;
• рассчитывать расход воздуха в вентиляционных системах;
• обладать компактным размером для проведения замеров в вентканалах.

Компактная версия DIY термоанемометра

Закупка компонентов для анемометра (BOM)

• Плата WEMOS D1 mini (от 130 руб. на Али)Дешёвая и компактная плата на базе ESP8266, основа проекта.WEMOS D1 mini
• Термоанемометр CG_Anem от ClimateGuard (1720 руб. на Али)Компактный и высокоточный модуль, работающий от 3.3 В по I2C.CG_Anem
• OLED-дисплей 0.96” с I2C (от 100 руб. на Али)Сравнительно дешёвый, но комфортный для работы дисплей с неплохой яркостью.OLED-дисплей 0.96”
• Регулятор напряжения ADP3338 на 3.3 В (от 14 руб. на Али)Необходим для стабилизации напряжения, подаваемого на анемометр. Подойдет любой регулятор с малым падением напряжения  (ldo) с точностью регулирования напряжения под нагрузкой не более 1%.ADP3338
• Аккумулятор 18650 (от 200 руб. на Али)Любой аккумулятор типа 18650 для автономной работы анемометра.Аккумулятор 18650
• Контроллер заряда на базе TP4056 (от 10 руб. на Али)Обращаем внимание, что при использовании аккумуляторов без защиты необходимо использовать контроллер с защитой от переразряда (как в примере).Плата питания TP4056
• Макетная плата 7х3 см (от 50 руб. на Али)Плата для распайки и соединения всех компонентов.Макетная плата 7х3
• Разъём XH 2.54 4pin “мама” с выводом на 90 градусов и два разъёма XH 2.54 4pin “папа” с проводами (от 90 руб. на Али). На просторах Али нашёл готовый комплепкт из обжатых проводов с ответной частью. За 90 рублей получаем 10 таких комплектов.XH 2.54 4pin
• Выключатель KCD-1 ( от 80 руб. на Али) Компактный и дешёвый клавишный выключатель, под него рассчитана 3D-модель. Обычно продаётся мелкими партиями, так выходит дешевле.Выключатель KCD-1
• Селфи-палка (от 330 руб. на Али)Самая простая селфи-палка для изготовления телескопической ручки анемометра.Noname селфи-палка

Итого общая стоимость – от 2 730 рублей.

Для сравнения, бюджетные версии термоанемометров Testo начинаются от 14 500 руб., а популярное устройство (с сомнительной репутацией) от CEM – от 25 000 руб.

Алгоритм сборки датчика скорости потока

• Ознакомление со схемами платы и компонентов, а также с общей схемой железки;
• Соединение всех компонентов на макетной плате;
• Печать корпуса на 3D-принтере, либо создание его из подручных материалов;
• Программирование и прошивка платы;

Схема анемометра

WEMOS D1 мало чем отличается от своих собратьев, построенных на базе ESP8266. Для подключения всех компонентов нам будут необходимы пины D2, D1 (SDA, SCL) и A0 (пин АЦП для считывания остатка заряда батареи) – см. схему ниже.

Распиновка WEMOS D1

Анемометру требуется чистое и стабильное напряжение в 3.3 В. Для его обеспечения мы будем использовать стабилизатор напряжения ADP3338.

Популярные преобразователи LM3940 или AMS117 не подходят, так как обладают низкой точностью регулирования (около 3%). При этом отклонение напряжения напрямую влияет на качество показаний анемометра. Поэтому выбор делается в пользу ADP3338 с точностью преобразования 0,8%. Выше приведена схема подключения LDO. Также производитель рекомендует ставить на вход и выход и выход конденсаторы номиналом 1 мкФ.

Мы собираем автономное устройство, поэтому необходим аккумулятор. Для текущего кейса была выбрана банка 18650 (под него создана 3D-модель корпуса), но в принципе можно использовать и li-ion / li-pol аккумуляторы другого форм-фактора.

Плата WEMOS имеет на борту встроенный АЦП (ADC0) для измерения выходного напряжения аккумулятора. Но так как АЦП способен измерять только до 3.3 В, а полностью заряженный аккумулятор выдаёт 4.2 В, необходим делитель напряжения. Делитель напряжения представляет собой последовательно соединенные резисторы. При подключении к средней точке мы обнаружим, что напряжение там равно напряжению, рассчитанному по формуле 2 на картинке.

WEMOS имеет делитель напряжения с номиналом резисторов 220 кОм и 100 кОм соответственно.

После ознакомления с распиновкой WEMOS и LDO подключаем все компоненты согласно схеме.

Схема сборки DIY анемометра

В результате у нас должна получиться примерно такая плата с кучей проводов и компонентов. Мастерство пайки постигается годами, мы нисколько не хотели задеть ваши чувства.

Результаты сборки схемы анемометра

Печатаем корпус

В процессе подготовки материала создано два типа корпусов для разных задач:

3D-модели корпусов доступны на GitHub.

Финальная конструкция представлена на картинке. Провода были зажгутированы для удобства работы с устройством. Чтобы убрать “колхоз” можно использовать спиральную обмотку (под рукой не оказалось).

Подключаем плату и библиотеки

Для дальнейшей работы нам необходимо подключить библиотеки.

Сначала заходим в настройки Arduino IDE и добавляем дополнительные ссылки Менеджера плат следующее: http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Затем мы должны выбрать необходимую нам плату. Для этого переходим во вкладку “Инструменты”, выбираем раздел “Плата”, далее выбираем “Менеджер плат” и вводим в поисковую строку “esp8266”.

После установки расширения снова заходим в “Платы” и выбираем “Generic ESP8266 Module” в подразделе с ESP8266.

После установки библиотеки для анемометра проделаем такую же операцию для библиотеки дисплея от популярного Алекса Гайвера. В поисковой строке необходимо написать “GyverOled”.

Код

Программа реализует базовый функционал. Следуя путями DIY можете переработать её под свои хотелки. Скетч также можно найти на GitHub или в примерах библиотеки датчика CG_Anem. Для OLED используется нетленная классика – библиотека Алекса Гайвера. Она одна из самых простых, интуитивно понятна и полностью закрывает поставленные задачи.

Запускаем датчик скорости потока жидкости

Пост посвящен датчику скорости потока Out Of Liquid — термоанемометру для измерения расхода жидких сред. Под катом читатель найдет описание принципа работы датчика, а также видео, на котором этот принцип наглядно демонстрируется.

Элемент представляет собой небольшую трубку из нержавеющей стали и подходит как для воды, так и для агрессивных жидкостей и газов.

Отступление (о датчике FS7)

Недавно была опубликована статья про термоанемометрический датчик расхода газа FS7, сегодняшний текст можно назвать её продолжением.

Напомню что FS7 представляет собой миниатюрную керамическую пластинку размером 6.9 на 2.4 мм, на которую нанесены два платиновых термосопротивления (RTD). Одно из них имеет номинальное сопротивление 45 Ом и используется как нагреватель, другое имеет номинальное сопротивление 1200 Ом и служит датчиком температуры. Первый элемент, соответственно, обозначется Pt45, второй — Pt1200.

Датчик помещается в трубу, по которой проходит поток, а элементы Pt45 и Pt1200 включаются в мостовую схему. В отсутствие потока сопротивления нагревателя и датчика температуры не изменяются, мост уравновешен. Однако когда среда начинает двигаться «мимо» датчика, часть тепла нагревателя отдается потоку, т.е. сопротивление нагревателя (элемента Pt45) снижается. При этом сопротивление элемента Pt1200 остается прежним, а значит мост разбалансируется. Сигнал разбаланса зависит от количества отданного потоку тепла, которое в свою очередь зависит от скорости потока.

Впрочем, обо всем этом гораздо подробнее написано в предыдущей статье, сегодня рассмотрим датчик для условий, в которых использование FS7 не рекомендуется.

О датчике Out Of Liquid

Датчики FS7 предназначаются для газов и также подходят для некоторых жидких сред, например для масел. Однако для агрессивных жидких сред, для содержащих воду жидкостей, а также для агрессивных газов предназначен датчик Out Of Liquid.

Out Of Liquid — это тот же термоанемометр, состоящий из двух платиновых RTD с номинальным сопротивлением 50 и 1000 Ом. Элемент Pt50 выполняет роль нагревателя, а элемент Pt1000 — роль датчика температуры среды.

Принципиальное отличие датчика Out Of Liquid заключается в том что термосопротивления не помещаются в среду, как в случае FS7, а припаиваются к внешней стенке трубы, через которую идет поток. Хороший тепловой контакт между термосопротивленями и средой достигается за счет небольшой толщины стенки трубы и за счет конструкции элементов Pt50 и Pt1000. Эти платиновые термосопротивления, во-первых, выполнены по тонкопленочной технологии, а значит имеют небольшой размер (2.3 x 2 мм) и плоскую форму, а во-вторых, нижняя сторона обоих элементов покрыта дополнительным металлическим слоем.

Такие металлизированные термосопротивления используются и отдельно в качестве датчиков температуры. Они востребованы в приложениях, где требуется хороший контакт с поверхностью объекта измерений.

Производству различных платиновых тонкопленочных термосопротивлений посвящена статья Термосопротивления: производственный процесс.

Трубка Out Of Liquid выполнена из нержавейки, её длина составляет 40 мм, внешний диаметр — 4 мм, внутренний диаметр — 3.8 мм. Трубка либо врезается в основную трубу, либо отводится от неё как шунт, тут всё зависит от конечной задачи.

От конечной задачи (габаритов трубы, состава и температуры среды и т.п.) зависит и выбор компонентов для схемы включения датчика. По этой причине производитель не предоставляет подробных руководств по применению Out Of Liquid.

Схема включения Out Of Liquid повторяет схему включения любого другого термоанемометра. Pt50 и Pt1000 выполняют роль нижних плеч измерительного моста, сигнал разбаланса которого подается на усилитель, а оттуда обратно на мост. Таким образом, при наличии потока сигнал обратной связи сообщает нагревателю более высокую температуру и измерительный мост снова уравновешивается. Сигнал на выходе усилителя, как было сказано выше, используется и в качестве выходного сигнала. Величина выходного напряжения нелинейно зависит от скорости потока, проходящего через Out Of Liiquid.

Пример схемы включения:

Out Of Liquid имеет четыре вывода, по два на каждое термосопротивление. Элемент Pt50 имеет красные провода, Pt1000 — белые. Легко догадаться что поток должен идти от Pt1000 к Pt50, а не наоборот, иначе тепло от нагревателя будет идти на датчик температуры и влиять на его сопротивление.

К слову, у элемента FS7 нагреватель и датчик температуры располагаются друг под другом, т.е. поток может быть направлен в обе стороны относительно чувствительного элемента.

С помощью датчика Out Of Liquid можно измерять расход от 0 до 3000 мл/мин (≈4 м/с). Рабочий температурный диапазон датчика — от -50 до +180°C, время отклика не превышает 300 мсек.

Для знакомства с модулем Out Of Liquid, но не для использования в готовом изделии, доступна отладочная плата.

Нехитрый процесс включения платы показан на видео.

О ценах

Мы продаем датчики Out Of Liquid по розничной цене 24 евро, понимая под розницей количества до 50 штук. При оптовых закупках цена закономерно снижается, например при заказе 100 штук цена элемента составит уже 15 евро. Кстати говоря, официальное наименование датчика Out Of Liquid — непроизносимое P1K0/050.232.2K.C.050.M.U.S.

Пользуясь случаем приведу ссылку на недавно запущенный сайт efo-sensor.ru, посвященный датчикам производства IST-AG и других производителей.

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.

Мечта об умном термоанемометре

Ростелеком, только переехали в новый офис в ComCity, огромные опенспейсы и сплошные окна без форточек. Плюс стандартная болезнь открытого пространства – на большое помещение всего один вентканал с кучей выходов.

Регламент климатической демилитаризации предписывает на такой случай вызывать билдинг-менеджеров. Инженеры-климатологи проводят замеры температуры и скорости воздуха на каждом участке воздуховода, регулируют поток и наступает благоденствие. Впрочем, длится оно не долго. Как только аналогичная процедура настройки проводится в соседнем опенспейсе – в нашем помещении все тут же идет в разнос. Составляется новая заявка. И так по кругу.

Кончается тем, что озверевшие от постоянной беготни и волн негатива билдинг-менеджеры просто игнорируют проведение измерений. По заявке приходит инженер с анемометром, делает замер, и говорит, мол, ребята, у Вас все нормально, вы не шахтеры, а белые воротнички, расслабьтесь, работайте. Доказать ему что-то сложно – перед тобой сертифицированный оператор измерительного оборудования и вообще эксперт.

Приблизительно в таких нечеловеческих муках родилась мечта о сборке собственного arduino-анемометра. Можно, конечно, купить готовое устройство, но для айтишника это “беспонтово”. Кроме того, на умную железку можно (в теории) повесить логирование, сбор данных по расписанию, управление умным домом и запуск кота в космос. “Ардуино, и ни в чем себе не отказывай”.

С тех пор прошло 6 лет. Работодатель остался в прошлом. Бизнес-центр скорее всего также перестал высушивать и отмораживать арендаторов. Но мечта жила.

Мы продолжаем рубрику “сенсорика для самых маленьких инженеров”. И в настоящей статье представим подробную инструкцию по сборке собственного термоанемометра. Грейте паяльники, открывайте Arduino IDE, поехали!

Термоанемометрические датчики

Расходомеры с термоанемометрическими преобразователями IST применяются преимущественно для потоков газов. В простейшем случае они состоят из нагревательного элемента и датчика температуры. Фактически это два термосопротивления, 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 серии FS7. На керамической подложке из диоксида циркония наносятся токопроводящие дорожки – 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 определяется не только чувствительным элементом, но и схемой его включения, и способом калибровки конечного устройства.

Об водосодержащих и агрессивных средах

Важно заметить, что датчики FS7, а также рассмотренный ниже FS2, используются в основном для газов, а также для жидких сред, не содержащих воду — при длительной работе в воде верхний изолирующий слой датчика постепенно разрушается и возникает электролиз.
Для потока воды и других подобных сред предусмотрен модуль Out Of Liquid — анемометрический датчик, элементы которого изолированы от потока. Out Of Liquid — это небольшая трубка из нержавеющей стали, на внешней стенке которой размещены микронагреватель и датчик температуры.

Трубка имеет длину 40 мм и диаметр 4 мм, рабочий температурный диапазон этого решения — от -50 °C до +180 °C.

О работе с «микропотоками»

Если задача вообще не предполагает работы с потоками со скоростью более 1.5 м/c и речь идет о газообразной среде, то можно использовать датчики серии MFS02 (Micro Flow Sense). 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 температуры установлен вне мембраны.

Датчик MFS02 имеет размер всего 3.5 x 5.1 мм, а к контактным площадкам довольно сложно подпаяться, поэтому MFS02 также доступен в составе плат-расширений, предоставляющих доступ к выводам элемента.

Приборы для измерения и контроля расхода жидкостей и газа

Компания «Полтраф СНГ» поставляет промышленные контрольно-измерительные приборы ведущих мировых и отечественных производителей на правах эксклюзивного или официального представителя. Одна из основных категорий поставляемого оборудования — расходомеры воды и жидкостей, а также расходомеры воздуха и газов.

Зачем нужны приборы контроля расхода

Расходомеры необходимы для того, чтобы определить, какое количество вещества проходит через емкость/трубопровод за определенный временной интервал. Чаще всего измерению подлежат вода и различные жидкости, а также топливо, газ, сжатый воздух. Точный учет потребляемого сырья, воды и энергоносителей позволит снизить издержки и оптимизировать затраты предприятия, а точное измерение и дозирование сырья и технологических жидкостей поможет улучшить качество выпускаемого продукта.

Виды промышленных расходомеров воды/жидкостей и воздуха/газов

Для коммерческого и технологического учета воды и жидкостей мы поставляем промышленные электромагнитные расходомеры жидкости. Различные диаметры, способы установки, вариативность материалов футеровки и электродов позволяют подобрать прибор учета для любой сферы и задачи: наши расходомеры с гигиеническим сертификатом используются в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, устойчивые к агрессивным воздействиям датчики расхода подходят для измерения щелочей, кислот, солевых растворов и таких загрязненных жидкостей как промышленные и муниципальные сточные воды. Электромагнитные приборы для учета жидкости и воды отличаются высокой точностью, надежностью и быстродействием. Принцип работы электромагнитных расходомеров основан на законе индукции.

Для учета в масштабах промышленного производства сжатого воздуха и газов мы предлагаем расходомеры австрийского производителя E+E Elektronik. Приборы просты в установке, возможно подключение расходомеров воздуха/газов без остановки рабочего процесса. Различные диаметры рассчитаны на разные виды трубопроводов, компрессорных установок и пневмосистем. Наши расходомеры воздуха используются для учета потребления сжатого воздуха, обнаружения утечек и пневмоаудита предприятий. Цена расходомера воздуха и газов определяется по запросу.

Как сделать заказ расходомера

Чтобы купить расходомер воды/жидкости или расходомер воздуха/газов, позвоните по телефону, указанному на сайте, или заполните специальную форму-заявку. Наши технические специалисты проконсультируют по всем нюансам использования расходомеров. Все приборы контроля расхода веществ, будь это вода, жидкость, топливо или воздух, проходят тщательную проверку на производстве, внесены в Госреестр СИ и имеют все необходимые сертификаты.

Датчики расхода и скорости

Измерение расхода жидкостей или газов чрезвы­чайно важно во многих областях техники и в особенности в сварочных процессах, так как оно позволяет судить об эффективности процессов по расходу материалов. В промышленной измерительной технике требуют очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности и должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измеритель расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик). При таких требованиях к точности при меняют чаще всего механические измерительные при боры. Лишь в самое последнее время появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие на оптическом эффекте Доплера. Эти лазерные доплеровские анемометры (рисунок 4.5) используют особый вид рассеяния света (эффект Доплера), рассмотреть который более подробно здесь представляется возможным. В данном случае лулазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает далее на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электри­ческий ток. Усиленный доплеровский сигнал электронным путем преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение.

Рисунок 4.5 – Устройство лазерного доплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе

Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не иска­жается процедурой измерения и профиль потока мо­жет быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса. Однако для любительской практики этот метод не­пригоден.

Рисунок 4.6 – Схематическое изображение процессов теплопередачи от самонагревающегося резистора в канале потока

При использовании двух терморезисторов с положи­тельным ТКС, из которых только один подвергается действию потока, как показано на рисунок 4.7, можно осуществить измерение, и значительной мере не за­висящее от температуры окружающей среды.

Рисунок 4.7 – Устройство для измерения расхода газа с помощью самонагревающегося терморезистора с положительным ТКС

Обнаружение различных газов в помещениях или в составе выхлопных газов осуществляется с помощью газовых датчиков. В присутствии определенных газов (например, СО2, СО, О2 или Н2) они вырабатывают электрические сигналы, которые более или менее спе­цифичны для различных веществ При этом используются различные физические и химические эффекты, которые более или менее подробно будут описаны ниже. Кроме этих простых и надежных газовых де­текторов для более ответственных применений суще­ствуют еще оптические фотометры, превосходящие га­зовые детекторы по селективности и точности. Правда, они гораздо дороже и сложнее по устройству.

Для простых применений, когда можно обойтись умеренной точностью и селективностью, применяют следующие устройства:

§ термокондуктометрические ячейки (СО2, SО2, SF6);

§ термохимические (каталитические) ячейки (СО, взрывоопасные и горючие газы),

§ полупроводниковые датчики (спирты, H2S, углевводороды, токсичные газы);

§ топливные ячейки (кислород).

Термохимическая ячейка обеспечивает часто необходимую потребность в измерении содержания горючих газов — особенно монооксида углерода (СО).

Рисунок 4.10 – Каталитическая ячейка для обнаружения горючим газов

Термохимическая ячейка (рисунок 4.10) имеет две измерительные платиновые спирали, включенные в измерительный мост, содержащий еще два постоян­ных сопротивления. Если одну из спиралей покрыть слоем активного катализатора, а вторую — слоем пас­сивного катализатора, то находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кис­лородом воздуха па активном катализаторе, образуя диоксид углерода (СО2). Выделяющаяся в резуль­тате этой реакции тепловая энергия вызывает повы­шение сопротивления активной спирали, а в итоге — заметный разбаланс моста. С помощью такого дат­чика можно обнаруживать весьма незначительные концентрации СО порядка 10-4 %. В атмосфере поме­щения минимальный возможный уровень измерения составляет 2·10-2 % СО. В принципе, кроме СО, с по­мощью этой ячейки могут быть обнаружены все го­рючие газы. Соответствующим подбором катализа­тора и температуры проволоки можно достигнуть оп­ределенной избирательности.

Область применения датчиков этого типа вклю­чает в себя контроль таких объектов, как гаражи, уличные туннели, стенды для испытания автомобилей и двигателей, убежища, склады, рабочие помещения, бомбоубежища гражданской обороны, коксовые уста­новки.

Полупроводниковые датчики. В самых простых и дешевых газовых датчиках ис­пользуется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. На рисунок 4.11 по­казано принципиальное устройство такого полупроводникового датчика. Он состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 100..500 °С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего изменяется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изме­нение напряжения. Важнейшим материалом для обнаружения различных газов среди чувствительных элементов некоторых датчиков является диоксид олова SiO2 с различными легирующими добавками. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно до­стигнуть определенного повышения избирательности.

Рисунок 4.11 – Измерительная ячейка полупроводникового датчика для обнаружения вредных (токсичных) газов.

Проверка самодельного термоанемометра

Выбор испытательного полигона для получившегося анемометра стал сложной задачей. Как отмечалось в начале статьи, доступа в офис с центральной вентиляцией у нас не было. Пришлось импровизировать.

Навскидку нашлись следующие жертвы:

• окно в доме;
• вытяжка над плитой;
• кондиционеры в офисах на заводе;
• сушилка для овощей;

Домашнее окно

Кейс показывает, что устройство может ловить даже потоки от небольших сквозняков.

Вытяжка над плитой

Замер получился интересным. Вытяжка снабжена двумя секциями для установки фильтров. Слева из секции фильтр убрали, справа оставили.

Результаты наглядно демонстрируют, что от долгого использования фильтр забился жиром и перестал нормально пропускать воздух. Разница между секцией с фильтром и без составляет 1,3 м/с.

Кондиционеры в офисах на заводе

Прошли по родному Электрозаводу (он же МЭЛЗ), где базируется офис компании. Наш офисный 10-летний кондиционер пытается справляться с жарой.

На остальных объектах по работе кондея очень хорошо видно – в каких помещениях сидят фотографы и ИТ-шники (кондей забирает воздух комнатной температуры), а в каких трудятся работяги за станками (кондей выдувает горячий воздух в коридор).

Сушилка для овощей и фруктов

В лабе наш Суховей используется для просушки гранул и нити полиамида. Обычные сушилки для филамента не дают температуру 60-80 градусов. Но Суховею до полноценного сушильного шкафа тоже далеко.

Кулер 3д-принтера

До испытаний ожидали, что улитка работает помощнее и гонит более холодный воздух. Видимо, китайский кулер отработал свое и нуждается в замене.

Пылесос

Измерить скорость всасывания пылесоса – идея сколь гениальная, столь и бесполезная.  Вернуться к кейсу можно будет разве что при выборе пылесоса в торговом зале. Представляете, какое будет шоу?

Внимания достоин только тот факт, что выдуваемый воздух имеет меньшее рассеивание.

Ноутбук

В обычном режиме ноутбук практически не дает воздушного потока. При принудительном запуске охлаждения на максимум скорость потока возрастает. По температурной индикации на анемометре видно, как ноут постепенно охлаждается.

Торнадо

К сожалению, за неделю поиска так и не удалось найти торнадо в Москве. Но мы уже раскрыли карты и ищем ближайшую дорогу до штата Канзас. Обещаем дополнить статью по возвращении.

Об измерении скорости потока жидкостей и газов

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 составляют платиновые датчики температуры (термосопротивления), 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.

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 также наносятся платиновые дорожки и соединения между ними — микронагреватель и два датчика температуры.

Поскольку при наличии потока нагревательный элемент охлаждается, а для измерений этот процесс уже не используется, на датчике расхода предусматривается дополнительный компенсационный датчик температуры.

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 просто обходится. Когда поток достигает определенной скорости, можно «переключиться» на работу в термоанемометрическом режиме — начать использовать пару нагреватель + компенсирующий датчик температуры по уже известному нам термоанемометрическому 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.

Экскурс в матчасть

Как гласит Вики, впервые описание анемометра появилось в виде чертежа в 1540-м в трудах Леона Батиста Альберти  “Математические забавы”. Позднее подобную конструкцию описал Леонардо Да Винчи. Через три века, в 1846-м году ирландский исследователь Джон Томас Ромни Робинсон изобрёл чашечный анемометр, ставший в то время революционным. В 1994-м году геологом Андреасом Пфличем был изобретён ультразвуковой анемометр.

Если не вдаваться в оттенки, все анемометры делятся на 3 основных типа:

• Механические (чашечные или крыльчатые). Самый старый тип анемометров. устройства подобной конструкции используются в качестве портативных устройств для локальных замеров. На метеостанциях применяют анеморумбометры. Это те же чашечные анемометры, но с “хвостом” для определения направления потока.Крыльчатые анемометры
• Термоанемометры – скорость потока воздуха на них рассчитывается исходя из  зависимости теплоотдачи нагреваемого элемента, помещенного в поток, от скорости течения потока. Эти типы измерителей нашел широкое применение в автомобильной индустрии в качестве датчика массового расхода воздуха. Также они используются в портативных устройствах для оценки потока в вентканалах. На низких скоростях термоанемометры демонстрируют большую точность,чем механические собратья.Термоанемометры
• Ультразвуковой анемометр. Принцип работы основан на измерении скорости прохождения звука, которая изменяется в зависимости от направления ветра. Ультразвуковые датчики достаточно дороги, но при этом просты в эксплуатации и способны определять направление потока. Поэтому часто применяются в бытовых и профессиональных метеостанциях.Ультразвуковые анемометры

Существуют и другие разновидности анемометров, но большинство из них являются модификациями уже существующих типов, либо не имеют широкого распространения. Например Трубка Пито, которая используется в качестве измерителя скорости и высоты в авиации, а также может служить эталонным прибором.

В заключении поблагодарю читателя за внимание и напомню, что вопросы о применении 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. Больше информации на efo-sensor.ru