1. Апаратне та програмне забезпечення тестування датчика
2. Вимірювання статичного тиску
3. Дослідження повітряного потоку пневмометричні методом

Початок о Control Engineering Росія, №3'2014

Апаратне та програмне забезпечення тестування датчика

При автономному тестуванні датчика досить мати деяку установку, яка регулює параметри середовища, і два контролюючих приладу - зразковий і тестований. У такій схемі ЕОМ необхідна лише для реєстрації показань приладів з метою їх порівняльної оцінки. Оскільки формат інтерфейсу для обміну даними між ЕОМ і тестується датчиком зумовлений як I2C, а переважна більшість ЕОМ таким інтерфейсом не обладнані, необхідний спеціальний адаптер, що конвертує наявний у всіх ЕОМ інтерфейс USB в необхідний I2C. З одного боку адаптер через роз'єм міні-USB окремим кабелем з'єднують з ЕОМ, а з іншого боку підключають до датчика через чьотирьох кабель зі спеціальним гніздовим роз'ємом. Всі перераховані вище елементи складають апаратне забезпечення, необхідне для тестування датчика.

Однак вперше підключений адаптер з приєднаним до нього датчиком ЕОМ сприймає як невідоме обладнання. Для його розпізнавання необхідно встановити драйвер пристрою, для чого буде потрібно завантажити з сайту виробника модуля [4] архів CDM 2.08.30 WHQL Certified.zip, розпакувати його і вказати установника обладнання отриманий каталог як джерело. При успішній установці драйвера в диспетчері пристроїв ЕОМ з'явиться віртуальний COM-порт, як це виділено червоною рамкою на рис. 7. Тепер при відключенні адаптера від ЕОМ додатковий віртуальний порт буде зникати з переліку обладнання, під час наступного з'єднання - знову з'являтися.

Мал. 7. Результат установки віртуального послідовного порту на ЕОМ

Після проведення зазначених операцій датчик готовий для включення в вимірювальну схему, але для звернення ЕОМ до датчика і отримання результатів вимірювання необхідна окрема керуюча програма D6_Flow_demo_v1.0.exe, яку можна замовити і отримати в компанії Omron. При запуску програми, що виконується на екрані монітора розгортається робоче вікно D6F Digital Flow Sensor Monitor (FTDI - I2C) v1.0 інтерфейсу спілкування з датчиком (рис. 8), де для типу D6F-PH5050AD3 в розділі Select Mode вибирають Mode3, в розділі Mesure Mode - Pressure, Interval time - 1 ms, на електронній клавіші замість встановленого за замовчуванням витрати 5 л / хв вибирають перепад тиску ± 500 Па, а потім послідовно натискають екранні кнопки Normal Mode і Start. В результаті кнопка Start змінить своє функціональне призначення, про що буде свідчити з'явилася на ній напис Stop, і з вибраною періодичністю 1 мс в відповідних показаннях на малюнку вікнах будуть оновлюватися цифрові дані, що сигналізують про поточне значення вимірюваного перепаду тиску і температури контрольованого середовища. Одночасно потік відображаються цифрових даних акумулюється в файлі, який можна переглянути після натискання на кнопку Stop. Для цього необхідно натиснути перейшла в активний стан екранну кнопку CSV Gen, а потім у випадаючому робочому вікні FileSelection вибрати директорію для збереження файлу і привласнити йому деякий ідентифікаційне ім'я.

Мал. 8. Інтерфейс вибору режиму датчика і реєстрації результатів вимірювання

Відкривають згенерований програмою файл результатів вимірювання за допомогою офісної програми Microsoft Excel. Для коректного перенесення даних з збереженого файлу результати вимірювання імпортують в створений заздалегідь файл формату .xlc. При цьому в якості роздільника стовпців вказують символ «,», а як роздільник цілої та дробової частини числа - символ «.». Після перенесення даних в файл Microsoft Excel для їх аналізу та графічного представлення можна використовувати весь багатий математичний апарат Microsoft Excel, в тому числі і кошти побудови графіків необхідного формату.

Вимірювання статичного тиску

Оскільки принцип роботи датчика D6F-PH заснований на вимірюванні тепловіддачі при русі повітря через термоанемометрический чутливий елемент, при вимірюванні тиску через датчик повинен постійно проходити певний витрата повітря. Це принципово відрізняє його від датчиків, які використовують в якості чутливого елемента забезпечені тензорезистором мембрани різної форми. У таких датчиках використовується закрита порожнина, в якій під впливом сил тиску деформується тонка мембрана, і потім її деформація перетворюється в сигнал тензорезистора. Тому для дослідників представляє великий практичний інтерес порівняння результатів вимірювання статичного тиску за допомогою датчиків, заснованих на таких різних фізичних принципах. Таке дослідження докорінно відрізняється від типової схеми застосування ( Частина 1, рис. 2 ) І здатне продемонструвати широку універсальність застосування досліджуваних датчиків серії D6F-PH. В якості зразкових мембранних датчиків були обрані багатодіапазонні датчики тиску АІР-10 НПП ЕЛЕМЕР [5].

Для проведення порівняльних випробувань була зібрана лабораторна установка, схема якої представлена ​​на рис. 9. Зважаючи на особливості конструкції датчиків АІР-10 тиск з їх допомогою може визначатися тільки в одну сторону - або більше атмосферного, або менше. Тому в установці були використані два зразкових датчика АІР-10, один з яких вимірював тиск вище атмосферного, інший - нижче. Тестований датчик D6F-PH дозволяє визначати тиск як вище атмосферного, так і нижче, яке відображається зі знаком «-». На малюнку видно, що тиск в посудині створюється за рахунок нагрівання повітря. Так як застосований в випробуваннях датчик D6F-PH5050AD3 має обмеження по вимірюваному тиску в межах ± 500 Па, то на установці було передбачено влаштування щодо обмеження рівня тиску в системі. При досягненні рівня тиску 500 Па (50 мм водяного стовпа) зайве повітря йде з посудини. Робочий діапазон датчиків АІР-10 був встановлений в інтервалі значень 0-1000 Па, що відповідно до робочою документацією дозволило отримати значення їх інструментальної похибки в 1,2% (12 Па).

Мал. 9. Схема лабораторної установки при випробуванні датчика D6F-PH в умовах статичного тиску

При проведенні експерименту включався нагрівач, при цьому тиск піднімалося до граничного значення і фіксувалося на цьому рівні. Через деякий час нагрівач вимикався, при охолодженні повітря в замкнутому просторі судини тиск опускалося нижче атмосферного. Для перевірки повторюваності результатів цикл «нагрів-охолодження» проводився кілька разів. Результати вимірювання одного з повторюваних циклів представлені на рис. 10. На графіках представлені три криві: для датчика D6F-PH, для тиску вище атмосферного (датчик АИР-10 +), для тиску нижче атмосферного (датчик АИР-10).

Мал. 10. Порівняльний результат вимірювання тиску зразковими і тестується датчиками

Графіки демонструють гарне узгодження результатів вимірювання тиску обох типів датчиків. На стадії підйому і зниження тиску динамічні характеристики всіх датчиків збігаються з достатнім ступенем точності. На ділянці постійного максимального тиску є деяка розбіжність значень, причому отримані датчиком D6F-PH дані в середньому на 30-40 Па нижче, ніж аналогічні, отримані за допомогою датчиків АІР-10. Відносна похибка складає 4-5%, що вважається хорошою точністю для даної серії експериментів, і, можливо, пов'язано з близькістю вимірюваного тиску до граничного значення датчика D6F-PH. Звертає на себе увагу ступінчастий характер тиску, вимірюваний датчиком АІР-10 + на 25-й секунді експерименту, обумовлений великою дискретністю часу опитування в реєстраторі, з чого слід мала придатність застосування таких датчиків для контролю високодинамічних процесів. На цьому ж малюнку лінія, відповідна результату вимірювання перепаду тиску датчиком D6F-PH, завдяки малому часу реакції (див. Частина 1, таблиця 1 ) Не зазнавав ніяких розривів, що робить їх незамінними в дослідженні подібних процесів.

Таким чином, за результатами експериментів можна зробити висновок про можливість вимірювання статичного тиску з достатнім ступенем точності за допомогою датчика тиску D6F-PH, що використовує термоанемометрический принцип. Окремо необхідно відзначити можливість вимірювання різнополярного тиску (як вище атмосферного, так і нижче), що дозволяє істотно знизити вартість лабораторного обладнання в порівнянні зі схемою, що базується на застосуванні однополярних датчиків тиску. При цьому слід враховувати, що необхідність течії повітря через датчик D6F-PH виключає його використання для контролю тиску з фіксованим обсягом повітря.

Дослідження повітряного потоку пневмометричні методом

Іншою важливою сферою застосування датчиків диференціального тиску є вимір швидкості потоку по різниці повного і статичного тиску відповідно до закону Ейлера. Для виміру полів швидкостей і тисків в повітряних каналах використовувалася стандартна методика, викладена в [6]. З метою дослідження можливості застосування датчика D6F-PH для вимірювання швидкості потоку була зібрана установка, представлена ​​на рис. 11. Як приймач повного тиску використовувалася тонка металева трубка зі спеціально спрофільоване кінцем, орієнтованим назустріч потоку. Для точного позиціонування приймача застосовувався кроковий двигун, за допомогою якого приймач повертався на заданий кут в межах від -90 до + 90 ° щодо центральної осі потоку. Потік, що набігає з заданими параметрами формувався за допомогою електровентилятора в трубі, на виході з якої містився приймач повного тиску.

Мал. 11. Схема лабораторної установки для дослідження повітряного потоку пневмометричні методом за допомогою датчика D6F-PH

Результати експерименту представлені на рис. 12. За допомогою датчика D6F-PH фіксувалося тиск потоку в залежності від кута осьової орієнтації приймача по відношенню до потоку. Чітко помітно, що при великих кутах тиск стає нижче атмосферного, як це визначається умовами обтікання приймача повного тиску потоком повітря. Поступово повертаючи приймач і фіксуючи максимальне значення тиску, можна визначити не тільки величину швидкості потоку, але і його напрямок. Добре видно, що в діапазоні кутів -13 ... + 33 ° повне тиск досягає максимуму 340 ± 30 Па, обумовленого параметрами контрольованого потоку.

Мал. 12. Залежність повного тиску в повітряному потоці від орієнтації приймача в датчику

Отриманий результат вимірювання повного тиску дозволяє за допомогою нескладних обчислень знайти швидкість потоку з в різних точках його поздовжнього перерізу по траєкторії переміщення приймача, як показано на малюнку. Для цього використовують відоме рівняння Ейлера [7]:

з = (2p / r) 1/2, (1)

де р - тиск, що вимірюється датчиком, r - щільність повітря.

Щоб визначити щільність повітря, необхідно скористатися рівнянням стану Менделєєва-Клайперона:

r = р / (RT), (2)

де R - газова стала повітря, що дорівнює 287 Дж / (кг · К), Т - термодинамічна температура повітря, Т = t + 273 К. У свою чергу, тут t - температура повітря в ° С.

Після підстановки відомих даних з (2) в (1) отримуємо, що максимальна швидкість повітря на осі потоку склала з = 23 ± 0,3 м / с, відносна похибка визначення швидкості при цьому не перевищувала ± 1,5%. Максимальний тиск від швидкісного напору за конструктивними особливостями застосованого датчика не може перевищувати 500 Па, що відповідає швидкості потоку повітря в стандартних атмосферних умовах приблизно 28 м / с.

Отримані і представлені на малюнку дані дозволяють зробити висновок про можливість використання датчика D6F-PH для визначення швидкості і напряму повітряного потоку пневмометричні методом. При цьому необхідність пропускати повітря через датчик відмінно вписується в схему вимірів. Можна припустити, що гранично висока чутливість аналогічного датчика D6F-PH0505AD3 в області слабких перепадів тисків як вище, так і нижче атмосферного і хороші динамічні характеристики роблять його унікальним і зручним інструментом при визначенні складних полів швидкостей конвекційних потоків повітря в науково-дослідних і виробничих приміщеннях з примусовою і природною вентиляцією, наприклад там, де особливої ​​важливості набуває чистота повітря: медицина, виробництво інтегральних мікросхем, елементів ми кроелектромеханіческіх систем і ін.

1. http://microsite.omroncomponents.com/assets/D6F-PH_Datasheet.pdf
2. www.mouser.com/pdfdocs/ApplicationNotes_Diff_Pressure_Sensor_App_note_D6FPH_Rev_1.pdf
3. Григор'єв А. МЕМС-датчики диференціального тиску // Електронні компоненти . 2013. № 7.
4. www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm
5. Каталог продукції. Науково-виробниче підприємство ЕЛЕМЕР. 2011 року.
6. ГОСТ 12.3.018-79 «Методи аеродинамічних випробувань».
7. Петунин А. Н. Методи і техніка вимірювань параметрів газового потоку. М .: Машинобудування. Тисячі дев'ятсот сімдесят дві.