Серия датчиков дифференциального давления D6F-PH от Omron.
Часть 2. Тестирование и применение

Начало в Control Engineering Россия, №3’2014

Аппаратное и программное обеспечение тестирования датчика

При автономном тестировании датчика достаточно иметь некоторую установку, регулирующую параметры среды, и два контролирующих прибора — образцовый и тестируемый. В такой схеме ЭВМ необходима лишь для регистрации показаний приборов в целях их сравнительной оценки. Поскольку формат интерфейса для обмена данными между ЭВМ и тестируемым датчиком предопределен как I²C, а подавляющее большинство ЭВМ таким интерфейсом не оборудованы, необходим специальный адаптер, конвертирующий имеющийся во всех ЭВМ интерфейс USB в требуемый I²C. С одной стороны адаптер через разъем мини-USB отдельным кабелем соединяют с ЭВМ, а с другой стороны подключают к датчику через четырехпроводной кабель со специальным гнездовым разъемом. Все вышеперечисленные элементы составляют аппаратное обеспечение, необходимое для тестирования датчика.

Однако впервые подключенный адаптер с присоединенным к нему датчиком ЭВМ воспринимает как неизвестное оборудование. Для его распознавания необходимо установить драйвер устройства, для чего потребуется скачать с сайта производителя модуля [4] архив CDM 2.08.30 WHQL Certified.zip, разархивировать его и указать установщику оборудования полученный каталог как источник. При успешной установке драйвера в диспетчере устройств ЭВМ появится виртуальный COM-порт, как это выделено красной рамкой на рис. 7. Теперь при отключении адаптера от ЭВМ дополнительный виртуальный порт будет исчезать из перечня оборудования, при повторном подключении — снова появляться.

Рис. 7. Результат установки виртуального последовательного порта на ЭВМ

После проведения указанных операций датчик готов для включения в измерительную схему, но для обращения ЭВМ к датчику и получения результатов измерения необходима отдельная управляющая программа D6_Flow_demo_v1.0.exe, которую можно заказать и получить в компании Omron. При запуске исполняемой программы на экране монитора разворачивается рабочее окно D6F Digital Flow Sensor Monitor (FTDI — I²C) v1.0 интерфейса общения с датчиком (рис. 8), где для типа D6F-PH5050AD3 в разделе Select Mode выбирают Mode3, в разделе Mesure Mode — Pressure, Interval time — 1 ms, на электронной клавише вместо предустановленного по умолчанию расхода 5 л/мин выбирают перепад давления ±500 Па, а затем последовательно нажимают экранные кнопки Normal Mode и Start. В результате кнопка Start изменит свое функциональное назначение, о чем будет свидетельствовать появившаяся на ней надпись Stop, и с выбранной периодичностью 1 мс в соответствующих показанных на рисунке окнах будут обновляться цифровые данные, сигнализирующие о текущем значении измеряемого перепада давления и температуры контролируемой среды. Одновременно поток отображаемых цифровых данных аккумулируется в файле, который можно просмотреть после нажатия на кнопку Stop. Для этого необходимо нажать перешедшую в активное состояние экранную кнопку CSV Gen, а затем в выпадающем рабочем окне FileSelection выбрать директорию для сохранения файла и присвоить ему некоторое идентификационное имя.

Рис. 8. Интерфейс выбора режима датчика и регистрации результатов измерения

Открывают сгенерированный программой файл результатов измерения с помощью офисной программы Microsoft Excel. Для корректного переноса данных из сохраненного файла результаты измерения импортируют в созданный заранее файл формата .xlc. При этом в качестве разделителя столбцов указывают символ «,», а в качестве разделителя целой и дробной части числа — символ «.». После переноса данных в файл Microsoft Excel для их анализа и графического представления можно использовать весь богатый математический аппарат Microsoft Excel, в том числе и средства построения графиков требуемого формата.

Измерение статического давления

Поскольку принцип работы датчика D6F-PH основан на измерении теплоотдачи при движении воздуха через термоанемометрический чувствительный элемент, при измерении давления через датчик должен постоянно проходить некоторый расход воздуха. Это принципиально отличает его от датчиков, использующих в качестве чувствительного элемента снабженные тензорезистором мембраны различной формы. В таких датчиках используется закрытая полость, в которой под воздействием сил давления деформируется тонкая мембрана, и затем ее деформация преобразуется в сигнал тензорезистора. Поэтому для исследователей представляет большой практический интерес сравнение результатов измерения статического давления с помощью датчиков, основанных на столь разных физических принципах. Такое исследование коренным образом отличается от типовой схемы применения (Часть 1, рис. 2) и способно продемонстрировать широкую универсальность применения исследуемых датчиков серии D6F-PH. В качестве образцовых мембранных датчиков были выбраны многодиапазонные датчики давления АИР-10 НПП ЭЛЕМЕР [5].

Для проведения сравнительных испытаний была собрана лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 9. Ввиду особенностей конструкции датчиков АИР-10 давление с их помощью может определяться только в одну сторону — или больше атмосферного, или меньше. Поэтому в установке были использованы два образцовых датчика АИР-10, один из которых измерял давление выше атмосферного, другой — ниже. Тестируемый датчик D6F-PH позволяет определять давление как выше атмосферного, так и ниже, которое индицируется со знаком «–». На рисунке видно, что давление в сосуде создается за счет нагрева воздуха. Так как примененный в испытаниях датчик D6F-PH5050AD3 имеет ограничение по измеряемому давлению в пределах ±500 Па, то на установке было предусмотрено устройство по ограничению уровня давления в системе. При достижении уровня давления 500 Па (50 мм водного столба) излишний воздух уходит из сосуда. Рабочий диапазон датчиков АИР-10 был предустановлен в интервале значений 0–1000 Па, что в соответствии с рабочей документацией позволило получить значение их инструментальной погрешности в 1,2% (12 Па).

Рис. 9. Схема лабораторной установки при испытании датчика D6F–PH в условиях статического давления

При проведении эксперимента включался нагреватель, при этом давление поднималось до предельного значения и фиксировалось на этом уровне. Через некоторое время нагреватель выключался, при охлаждении воздуха в замкнутом объеме сосуда давление опускалось ниже атмосферного. Для проверки повторяемости результатов цикл «нагрев–охлаждение» проводился несколько раз. Результаты измерения одного из повторяющихся циклов представлены на рис. 10. На графиках представлены три кривые: для датчика D6F-PH, для давления выше атмосферного (датчик АИР-10⁺), для давления ниже атмосферного (датчик АИР-10^–).

Рис. 10. Сравнительный результат измерения давления образцовыми и тестируемым датчиками

Графики демонстрируют хорошее согласование результатов измерения давления обоих типов датчиков. На стадии подъема и снижения давления динамические характеристики всех датчиков совпадают с достаточной степенью точности. На участке постоянного максимального давления имеется некоторое расхождение значений, причем полученные датчиком D6F-PH данные в среднем на 30–40 Па ниже, чем аналогичные, полученные с помощью датчиков АИР-10. Относительная погрешность составляет 4–5%, что считается хорошей точностью для данной серии экспериментов, и, возможно, связано с близостью измеряемого давления к предельному значению датчика D6F-PH. Обращает на себя внимание ступенчатый характер давления, измеряемый датчиком АИР-10⁺ на 25-й секунде эксперимента, обусловленный большой дискретностью времени опроса в регистраторе, из чего следует малая пригодность применения таких датчиков для контроля высокодинамичных процессов. На этом же рисунке линия, соответствующая результату измерения перепада давления датчиком D6F-PH, благодаря малому времени реакции (см. Часть 1, таблица 1) не претерпевает никаких разрывов, что делает их незаменимыми в исследовании подобных процессов.

Таким образом, по результатам экспериментов можно сделать вывод о возможности измерения статического давления с достаточной степенью точности с помощью датчика давления D6F-PH, использующего термоанемометрический принцип. Отдельно необходимо отметить возможность измерения разнополярного давления (как выше атмосферного, так и ниже), что позволяет существенно снизить стоимость лабораторного оборудования по сравнению со схемой, базирующейся на применении однополярных датчиков давления. При этом следует учитывать, что необходимость течения воздуха через датчик D6F-PH исключает его использование для контроля давления с фиксированным объемом воздуха.

Исследование воздушного потока пневмометрическим методом

Другой важной областью применения датчиков дифференциального давления является измерение скорости потока по разности полного и статического давления в соответствии с законом Эйлера. Для замера полей скоростей и давлений в воздушных каналах использовалась стандартная методика, изложенная в [6]. С целью исследования возможности применения датчика D6F-PH для измерения скорости потока была собрана установка, представленная на рис. 11. В качестве приемника полного давления использовалась тонкая металлическая трубка со специально спрофилированным концом, ориентированным навстречу потоку. Для точного позиционирования приемника применялся шаговый двигатель, с помощью которого приемник поворачивался на заданный угол в пределах от –90 до +90° относительно центральной оси потока. Набегающий поток с заданными параметрами формировался с помощью электровентилятора в трубе, на выходе из которой помещался приемник полного давления.

Рис. 11. Схема лабораторной установки для исследования воздушного потока пневмометрическим методом с помощью датчика D6F–PH

Результаты эксперимента представлены на рис. 12. С помощью датчика D6F-PH фиксировалось давление потока в зависимости от угла осевой ориентации приемника по отношению к потоку. Отчетливо заметно, что при больших углах давление становится ниже атмосферного, как это определяется условиями обтекания приемника полного давления потоком воздуха. Постепенно поворачивая приемник и фиксируя максимальное значение давления, можно определить не только величину скорости потока, но и его направление. Хорошо видно, что в диапазоне углов –13…+33° полное давление достигает максимума 340±30 Па, обусловленного параметрами контролируемого потока.

Рис. 12. Зависимость полного давления в воздушном потоке от ориентации приемника в датчике

Полученный результат измерения полного давления позволяет с помощью несложных вычислений найти скорость потока с в различных точках его продольного сечения по траектории перемещения приемника, как показано на рисунке. Для этого используют известное уравнение Эйлера [7]:

с = (2p/r)^1/2,            (1)

где р — давление, измеряемое датчиком, r — плотность воздуха.

Чтобы определить плотность воздуха, необходимо воспользоваться уравнением состояния Менделеева–Клайперона:

r = р/(RT), (2)

где R — газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/(кг·К), Т — термодинамическая температура воздуха, Т = t + 273 К. В свою очередь, здесь t — температура воздуха в °С.

После подстановки известных данных из (2) в (1) получаем, что максимальная скорость воздуха на оси потока составила с = 23±0,3 м/с, относительная погрешность определения скорости при этом не превышала ±1,5%. Максимальное давление от скоростного напора по конструктивным особенностям примененного датчика не может превышать 500 Па, что соответствует скорости потока воздуха в стандартных атмосферных условиях примерно 28 м/с.

Полученные и представленные на рисунке данные позволяют сделать вывод о возможности использования датчика D6F-PH для определения скорости и направления воздушного потока пневмометрическим методом. При этом необходимость пропускать воздух через датчик отлично вписывается в схему измерений. Можно предположить, что предельно высокая чувствительность аналогичного датчика D6F-PH0505AD3 в области слабых перепадов давлений как выше, так и ниже атмосферного и хорошие динамические характеристики делают его уникальным и удобным инструментом при определении сложных полей скоростей конвекционных потоков воздуха в научно-исследовательских и производственных помещениях с принудительной и естественной вентиляцией, например там, где особую важность приобретает чистота воздуха: медицина, производство интегральных микросхем, элементов микроэлектромеханических систем и др.