Дифференциальный датчик давления и потока воздуха

Канадская компания Microbridge Technologies представила датчики, регистрирующие слабейшие потоки воздуха. Датчики работают по принципу термометра-анемометра и фиксируют минимальную разницу давления. Особенностью разработки является возможность замены датчиков в устройствах и отсутствие необходимости в проведении индивидуальной калибровки. Кроме того, для их работы требуется минимальный набор внешних компонентов, что делает их универсальным и недорогим решением для широкого круга задач.

В основе работы датчика лежит принцип работы термометра-анемометра, т.е. датчик регистрирует изменение температуры и движение воздушных масс. В датчике имеется канал, по которому проходит воздух (см. рис. 1). Расположенный в канале нагревательный элемент нагревает окружающий его объем воздуха. Температура воздушной массы повышается, вследствие чего на паре термодатчиков, расположенных на противоположных сторонах нагревательного элемента, возникает разница температур.

Рис. 1. Принцип работы датчика потока воздуха

Скорость воздушного потока в канале рассчитывается исходя из разницы давления на противоположных концах канала и по импедансу потока, который по определению равен отношению разницы давлений к скорости передвижения.
Структурная схема датчика приведена на рисунке 2. Устройство состоит из самого датчика со встроенным воздушным каналом и аналоговой схемы с регулируемыми резисторами. Резисторы Rejustor (разработка компании Microbridge) — электрически программируемые элементы, сопротивление которых настраивается прямо на плате. Они применяются для калибровки и компенсации в аналоговых схемах.

Рис. 2. Структура устройства

Схема питается от источника постоянного напряжения 5 В и имеет аналоговый выход, выход регулировки и смещения и выход температуры. В зависимости от требований, коэффициент усиления аналоговой схемы можно сделать большим или маленьким. Плавная настройка коэффициента усиления осуществляется с помощью регулируемых резисторов, расположенных на плате.
Чувствительность датчиков имеет нелинейный вид. Чем ниже импеданс потока, тем выше чувствительность (см  рис. 3). Существуют два режима работы датчика:
1. Без усиления или с небольшим усилением. Датчики без усиления используются, например, в медицинском оборудовании, когда нужен широкий динамический диапазон (около 10⁴) и нелинейная форма выходного сигнала (см рис. 3). При большой разнице давлений выходной сигнал ведет себя примерно как квадратный корень из дифференциального давления. В этом режиме выходной сигнал может быть линеаризован с помощью стандартных методов цифровой коррекции.

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения от разницы давлений

2. С усилением. В этом режиме сигнал усиливается так, чтобы он достигал насыщения до того, как появится заметная нелинейность на выходной характеристике датчика (см. рис. 4). Это полезно в схемах, где нужен линейный выход и малый динамический диапазон (порядка 10²). Датчики с усилением применяются в автомобильной и промышленной электронике, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и т.д.

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения датчика с усилением от давления

Импеданс потока датчиков может варьироваться в пределах 1…200 кПа/(миль/с). Рассмотрим два варианта датчика, имеющих импеданс 25 кПа/(миль/с) (тип А) и 60 кПа/(миль/с) (тип В). Датчики с более высоким импедансом потока имеют следующие преимущества:
– не нужна повторная калибровка датчика при работе с трубопроводами разной длины или диаметра, поскольку импеданс потока определяется только геометрией датчика;
– имеется возможность использования газовых фильтров с переменным импедансом потока;
– в шунтирующих схемах через датчик проходит очень малый поток воздуха, что позволяет защитить канал от загрязнения;
– упрощенные требования к конструкции датчика позволяют использовать корпуса самых разных конфигураций.

Одним из преимуществ рассматриваемых датчиков потока является их универсальность. Они содержат практически все необходимые элементы и схемы. В обоих режимах для работы датчика требуется только простая схема смещения и компенсации усиления. Коррекция температуры и барометрического давления производится с помощью стандартных таблиц соответствия в цифровом блоке посткоррекции. Характеристики датчиков имеют небольшой разброс от прибора к прибору, поскольку они в основном определяются внешними факторами (температура, давление). На рисунке 4 приведены зависимости выходного напряжения от давления для пяти датчиков одного и того же типа. Как видно, кривые практически совпадают (с погрешностью 0,5%), что говорит о высокой стабильности параметров. Благодаря высокому импедансу потока, при замене трубопровода или самого датчика не требуется индивидуальная калибровка. Все это позволяет использовать датчики Microbridge в самых разных областях применений.