В устройствах современной электроники, обеспечивающих функционирование предприятий и бытовой сферы услуг, распространены датчики потока и протока жидкости с разным принципом работы: от магнитного датчика Холла и лопастных расходомеров до реле давления потока и расхода жидкости. На основе современных датчиков не только разработаны производственные автоматизированные линии розлива и контроля, например, на пивоваренных заводах, но существуют перспективные идеи для сферы бытовых услуг, когда рассматриваемые датчики уместно применять в кофейных и газировальных вендинговых аппаратах, бытовых кофемашинах, домашних пивных заводах, а также для автоматизации процесса розлива в розничной сети. В статье рассматривается принцип действия датчиков, встраиваемых в магистрали потока агрессивных и неагрессивных жидкостей и перспективы их применения.
Вода, в том числе прошедшая очистные сооружения для последующего потребления в качестве питьевой в частных и многоквартирных домах, на производстве является важным экономическим фактором. Причём «обычная» питьевая вода может быть исследована сегодня в большом спектре физико-биолого-химических характеристик, лишь самые простые из которых – прозрачность, жёсткость (мягкость) и даже электропроводимость. Химический анализ качества воды – довольно дорогостоящая процедура, десятки тысяч рублей в зависимости от выбранных характеристик, которую могут себе позволить не все. Не секрет, что в некоторых регионах любезного нашего Отечества качественно очищенная вода – редкость. И не во всех регионах природные запасы воды достаточны для жизнедеятельности; к примеру, в степных районах чистая питьевая вода ценится дороже, чем в регионах с разветвлённой сетью рек и озёр, иных районов, граничащих с большими акваториями.
Так, в Ленинградской области (Калитино), в Смоленской (отдельные дома в г. Смоленске), Псковской (Опухлики) – несколько примеров из авторского опыта – и сегодня питьевая вода, поступающая по магистральным путепроводам под давлением к бытовым потребителям, условно перенасыщена известняком и кальцием, что нетрудно заметить по белому осадку в посуде и после её кипячения. Жёсткость водопроводной воды также влияет на долговременность работы ТЭНов сервисного электрооборудования, самые простые примеры в быту – автоматические стиральные машины, бойлеры, чайники и электрические нагреватели в частных домах с водяным контуром отопления. Для смягчения воды специально применяют такой химический состав, как «калгон», рекомендованный для предотвращения образования накипи на ТЭНах – в устройствах не питьевого применения (стиральные машины, контуры отопления и др.). В Псковской области (и некоторых других районах) вода традиционно имеет серно-водородный привкус, что связано с геологическими особенностями почв. Весь этот простой анализ показывает нам два важных аспекта.
Во-вторых, во многом с учётом сказанного, состав воды в разных местах и условиях неоднороден, магистрали подвода при эксплуатации загрязняются, на внутренней поверхности трубопроводов образуются наросты, сужая полезный диаметр магистрали, следовательно, для потребителя изменяется давление и поток воды. Но главное – для такого корректного и долговременного контроля требуются специальные надёжные датчики. Поэтому вопрос о качестве датчиков контроля воды и иной жидкости, о надёжности РЭА в этой части довольно актуален.
Что касается крупного производства, предприятий, тут вопрос с надёжностью оборудования поставлен ещё более критично: любой простой влечёт за собой миллионные издержки. А если речь идёт о сфере безопасности жизнедеятельности, «критической инфраструктуре» обеспечения жизнедеятельности людей в медицинских и иных учреждениях, тут аварии в контурах снабжения водой имеют ещё более важные последствия. На таких условно простых бытовых и производственных примерах мы показали необходимость технологического совершенствования производства датчиков потока и прогона жидкости, и новых разработок в сей теме.
Датчик фирмы OOTDTY модели H1AA800375 на основе магнитного эффекта Холла для водопроводно-канализационной системы представлен на рис. 1.
Он имеет условия подводки с размером «½» – стандартный распространённый размер, принятый в сантехнических коммуникациях бытового уровня. Для труб и комплектующих сантехники принят за основу «недружественный» отсчёт от дюйма – 25,4 мм. Отсюда 1 см = 0,3937 дюйма, 1 дюйм = 2,54 см. Но сантехнический размер «½» – это диаметр трубы 15 мм, а «¾» – 20 мм, 1 дюйм примерно равен 25 мм, 1 и ¼ – диаметр патрубка 32 мм. Наиболее распространены ½ и ¾ дюйма.
Примерно аналогичные характеристики у датчика YF-B1, имеющего размеры 4,4×1,9 см. Устойчиво работоспособен в диапазоне напряжения питания 5…15 В постоянного тока. Сопротивление изоляции корпуса 100 МОм. Датчик размещён в корпусе из лёгкого металла и пластика и позволяет контролировать расход воды в пределах 1…25 л/мин. при максимальном давлении в контуре 1,75 МПа.
На рис. 2 представлен внешний вид переключателя датчика потока воды, выполняющего функцию усилителя давления воды и предназначенного для контуров с относительно слабым давлением и (или) для потребителей, находящихся в условиях удалённого расположения от распределительной станции – хаба.
Датчик, совместимый с устройствами Arduino, имеет высокую стабильность и надёжность ввиду функции магнитного абсорбирования. Индукционная и магнитная контрольная камера, а также электронные компоненты расположены отдельно, это позволяет избежать сбоев в работе переключателя, вызванных примесями воды в трубопроводе, «нежелательными» частицами, загрязняющими канал.
На рис. 3 представлен тот же датчик, адаптированный для разработчиков конструкторского макета Arduino.
Такое устройство одновременно имеет функцию защиты водоподводящего канала и многоразового фильтра частиц-примесей воды – с отстойником и возможностью его чистки.
Термостойкие материалы корпуса и элементов датчика позволяют использовать устройство для горячей воды при температуре до 80°С.
Устройство работоспособно при относительно низком давлении воды > 0,03 кг/см²: сей элемент, называемый «пружина сброса», сделан из высококачественной нержавеющей стали. Это крайне важно в условиях подводны́х магистральных каналов с низким давлением, в частности, для запуска водонагревателя-бойлера в режиме обеспечения автоматического водного цикла водонагревателя.
Внутри датчика установлена магнитная крыльчатка, совмещённая с датчиком Холла. Аналогичные YF-S201 по форм-фактору модели типового ряда CX-60/120/300/800/801/802/2010 сертифицированы (СЕ) и предназначены для работы в контуре водоснабжения (отведения) при интенсивности потока 6…7 л/мин и минимальном давлении 0,6 МПа. Этот совместимый с устройствами Arduino прецизионный датчик расхода воды предназначен и адаптирован для схем управления и питания с напряжением осветительной сети 230…240 В переменного тока.
На рис. 4 представлен внешний вид датчика-переключателя потока водяного насоса фирмы ELESAVEE моделей HFS15/HFS20/HFS25.
Датчик функционирует как реле потока с контролем уровня жидкости и адаптирован под размер патрубка ½ или ¼ дюйма.
Типовые характеристики датчика
На рис. 5 представлен автоматический торговый (вендинговый) аппарат с открытой частью корпуса.
Для торговых автоматов в сегменте дозируемых и порционных товаров способы измерения продукции основываются на трёх параметрах: объём, масса, время. Измерение объёма применяется для ВА, работающих непосредственно с жидкостями. Анализатор дозирующего устройства работает так. С помощью тензодатчиков измеряется количество жидкости в накопительном резервуаре посредством сравнения изначального показания с изменяющимся. Когда разница между двумя показаниями достигает необходимого значения, дозирующее устройство перекрывает подачу жидкости. Измерение по массе происходит непосредственно на месте выдачи товара при помощи тензометрического датчика, который отмеряет вес товара, уже поданного в тару. Соответственно, когда вес достигает необходимого значения, подача продукции прекращается.
Измерение по времени с помощью электронного таймера (между началом и окончанием подачи жидкости потребителю) – условно сложный процесс, более экономичный, но менее надёжный, и тут мы его касаться не будем. А применение датчиков протока для контроля отпуска жидкости в трубопроводе ВА на пути к потребителю (в стакан) – перспективный метод, уже нашедший своих последователей и критиков среди разработчиков РЭА. Кулеры для воды (в том числе автоматы-диспенсеры, подключённые к системе питьевого водоснабжения, а не сменяемых банок объёмом 18,9 л), ВА, бытовые кофе-машины, автоматизированные линии розлива (воды, пива и др.) на производстве и многие другие примеры – таковы сферы, где применяется РЕ трубчатый датчик потока жидкости с подключением ¼ дюйма модели 652F. Внешний вид его представлен на рис. 6.
Далее приведены некоторые технические характеристики датчика 652F c литерами «А» и «В»:
Счётчик расхода питьевой воды модели 652F суть многофункциональный расходомер с переключателем, рассчитанный для контроля магистрали с объёмом (скоростью потока) жидкости до 0,8 л/мин. Такой датчик может иметь универсальное применение.
Функционал устройства: измерение, контроль потока (скорости и объёма), сигнал тревоги при отсутствии жидкости в канале. Датчик расхода жидкости применяется универсально: домашняя «пивная машина», посудомоечная машина, очиститель воды, торговый автомат, в том числе для дозированной подачи вина, иного алкоголя (с автоматическим и электронным управлением), винный шкаф и другие, то есть для почти любого, в соответствии с характеристиками датчика, оборудования, где требуется управление небольшими потоками воды. Понятно, что для производственных мощностей, или даже в условиях фермерского хозяйства – для полива фруктов и овощей, или работы стиральной машины такой скорости потока недостаточно, нужна бо́льшая; однако в своём классе и по своей стоимости – это перспективный датчик для новых разработок РЭА небольших мощностей потоков и отпуска жидкостей.
Кстати, регулирование температуры в автоматах, отпускающих горячие напитки, осуществляется с помощью терморегуляторов по принципу двухпозиционного контроля типа ТР-200, обеспечивающего регулирование жидкой и воздушной среды в диапазоне 25–200°С. При достижении заданной температуры устройство отключает электронагреватели, а при понижении – включает их. Настройка терморегулятора производится вращением винта при одновременном контроле температуры среды с помощью термометра, ибо своей установочной шкалы прибор не имеет.
У того же производителя OOTDTY представлен электрический «Water Flow Sensor» модели SEN-CL21W-003, предназначенный для электронного управления дозатором, диспенсером и очистителем питьевой воды, с подключения патрубков ¼ дюйма, с максимальным током 100 мА, адаптированный к системам питания до 100 В.
На рис. 8 представлен потоковый выключатель фирмы SAIER в латунном корпусе, действующий по магнитному принципу, предназначенный для подключения патрубков форм-фактора ½ дюйма в магистралях с давлением до 1,2 MПa.
Этот прибор адаптирован к переменному напряжению осветительной сети 230…240 В (220 В) и создан по принципу язычкового переключателя. Язычок находится в системе магистрали с жидкостью, и когда в ней есть давление, жидкость воздействует на язычок, что приводит к замыканию контактов датчика.
Магнитный переключатель потока контролирует наличие или отсутствие потока жидкости в магистрали. Такие приборы делятся на типы в зависимости от назначения контактной группы (замыкание или размыкание) Переключатель потока воды также называют «реле потока», а в разработках используют с типичными компонентами системы управления неагрессивными жидкостями, у такого прибора нет требований для питающего напряжения, он прост в использовании примерно так же, как банальная «кнопка для квартирного звонка».
Некоторые технические характеристики:
Датчик давления воды такого газового котла (рис. 9) монтируют на трубопровод. После герметичного монтажа в системе, подачи питания и заполнения водяного контура датчик протока реагирует на поток сразу же, как открывают кран горячей воды. От датчика подаётся управляющий сигнал на управляющее устройство, запускается циркуляционный насос и происходит нагрев жидкости в котле в режиме приготовления ГВС. Таким образом, датчик протока сигнализирует о начале движения воды при открытии крана горячей воды. Датчик протока SCG-1-S96 подходит к нагревательным котлам: «Гепард» моделей 12 MOV H-RU, 23 MOV H-RU, 12 MTV H-RU, 23 MTV H-RU; Lynx (HK 11, HK 24, HK 28); Jaguar моделей 11JTV и 24JTV; Kentatsu Nobby Smart (24-1CS, 24-2CS, 28-2CS).
Среди постоянных заказчиков реле отечественной торговой марки крупнейшие холдинги и предприятия, работающие во всех регионах страны, в том числе нефтеперерабатывающие заводы и газонаполняющие станции. В трубопроводах промышленных систем контроль движения жидкостей и газов осуществляется с помощью реле потока с различными принципами действия. Их основной задачей является защита оборудования от перегрева в случае слабого потока либо его отсутствия.
Реле потока в России – для производственного назначения изготовляются в двух вариантах – лопастное и термоанемометрическое. В конструкции термоанемометрического реле основным является нагревательный элемент, совмещенный с датчиком температуры, и термодатчик, измеряющий температуру рабочей среды. Нагревательный элемент поддерживает температуру на определённом значении, превышающем температуру контролируемого вещества [4].
Принцип работы термоанемометрического реле в зависимости отдачи тепла нагревательного элемента от скорости, с которой движется рабочая среда, охлаждая его. Термодатчик и датчик температуры, совмещённый с нагревательным элементом, фиксируют разность температур, которая обратно пропорциональна скорости потока.
Рисунок 10 иллюстрирует принцип работы термоанемометрического реле «Поток-285».
В этом устройстве реализовано исполнение с футерованным тефлоном электродом для эксплуатации в агрессивных средах, таких как щёлочь и кислота. Предел давления контролируемой среды увеличен до 10 МПа (более старые модели – до 5 МПа).
В одноэлектродном исполнении термоанемометрического реле упростилась задача монтажа, ибо отпала необходимость позиционировать электроды относительно направления потока.
Технические характеристики термоанемометрического реле «Поток-285» представлены в табл. 1.
Преимущества устройства:
Технические характеристики лопастного реле «Поток-236» представлены в табл. 2.
На производстве на лопасти наносятся насечки, обозначающие различную длину. Перед непосредственной установкой в линию лопасть обрезается на необходимую длину в соответствии с уставками включения и отключения. Уставка включения – это значение расхода среды, при котором происходит срабатывание реле, а именно замыкание нормально разомкнутых контактов герконового реле. Уставка отключения – это значение расхода, при котором контакты герконового реле возвращаются в исходное положение.
Датчики-реле потока серии ДР-П, ДР-ПП предназначены для контроля потока неагрессивных жидкостей, таких как вода, этиленгликоль и другие, через трубопровод. Приборы применяются для определения наличия или отсутствия потока жидкости и управления различными устройствами в системах автоматики, к примеру, для защиты насосов от «сухого» хода, в цепях аварийно-предупредительной сигнализации. При наличии потока воды в трубопроводе датчик-реле подаёт сигнал в электрической цепи, который анализируется устройством сигнализации и управления.
По способу монтажа лепестковые датчики-реле разделяются на два вида: датчики-реле, устанавливаемые в тройник трубопровода — ДР-П-02, ДР-П-03, ДР-П-32, ДР-П-34, ДР-П-50; и врезные датчики-реле, для которых, соответственно, тоже существуют два вида монтажного положения: горизонтальное – ДР-ПП-02, ДР-ПП-04; и вертикальное – ДР-ПП-52, ДР-ПП-53, ДР-ПП-54, ДР-ПП-55.
Принцип работы поршневых датчиков-реле основан на перемещении магнитного поршня внутри прибора. Поршень смещается под воздействием потока жидкости в трубе и замыкает контакты геркона. В случае отсутствия потока в трубе поршень возвращается в исходное положение под действием силы тяжести, что приводит к размыканию контактов.
Датчики этого вида известны в двух вариантах монтажного положения:
Устройства рекомендуется применять в комплекте с тахометрами или счётчиками импульсов. Датчики этого типа имеют универсальное монтажное положение – ДРУ-ПП-91, ДРУ-ПП-92, ДРУ-ПП-93, ДРУ-ПП-94. Датчики потока воздуха предназначены для сигнализации наличия или отсутствия воздушного потока. Применяются в системах вентиляции в качестве сигнального контакта или для индикации неисправности вентилятора или закупорки вытяжки.
Реле потока может иметь типовое и специальное исполнение – для работы во взрывоопасных средах. Конструкция реле потока позволяет использовать устройство на средах с вязкостью до 400 МПа/с, таких как сырая нефть и дизельное топливо.
Счётчик-расходомер изготавливается из разных материалов, выбор которых зависит от того, какими свойствами обладает измеряемая и окружающая среда. Если она нейтральная, то для электродов выбирают нержавеющую сталь, если агрессивная – электроды делают из титана, тантала, платино-иридиевого и других устойчивых сплавов. Проточную часть прибора покрывают материалом, препятствующим разряду ионов во время их контакта с металлической трубой. Для неагрессивной жидкости и невысоких температур подходит обычная техническая резина. Если эксплуатация оборудования планируется в агрессивной среде, футеровку исполняют из различных фторопластов или керамики (для абразивных сред).
Среди преимуществ электронных расходомеров:
Электронный блок крепится на корпусе первичного преобразователя с помощью стойки (в интегральном исполнении). Индикатор с жидкокристаллическим дисплеем отображает основные показатели измерений. Дополнительно ещё об одной интересной особенности контроля расхода жидкостей и газов для измерения расхода различных жидкостей, способных работать с агрессивными и неоднородными средами, можно прочитать в [4].
Проточную часть и электронный блок устанавливают отдельно друг от друга. Такой вариант выбирается при необходимости работы с жидкостями при высокой температуре (от +80 до +130°С). Допустимая длина удаления датчика от устройства-анализатора 50 м.
Конструктивно счётчик рассчитан на фланцевый тип монтажа. Однако есть варианты исполнения с «молочной гайкой» – такое соединение востребовано в пищевой промышленности. Наличие гигиенического сертификата позволяет использовать устройства в производстве продуктов питания: молока, сахара, пива и т.д.
Особый тип промышленных расходомеров – кориолисовые (coriolis flowmeters), это универсальные приборы для измерения массового расхода и плотности прямым методом и объёмного расхода методом пересчёта. Принцип работы устройства (представлен на рис. 11) основан на базовом физическом явлении появления ускорения при движении среды в вибрирующей трубке.
В результате возникают силы, закручивающие трубку, так как во входной половине трубки сила, действующая со стороны среды, препятствует её смещению, а в выходной способствует. Это приводит к появлению разности фаз колебаний подводящей и отводящей труб сенсора. Данный эффект называется эффектом Кориолиса [4].
Мы рассмотрели примеры разного оборудования, в которых применяются принципы эффекта Холла, лопастные и поршневые контакторы: от маленьких датчиков протока для небольших магистралей до промышленных контроллеров огромных объёмов. Знание примеров, элементной базы и принципа работы датчиков контроля жидких сред даёт большие перспективы применения рассмотренных устройств для новых разработок как в области бытового, медицинского, так и промышленного назначения.
Обзор рынка анализаторов спектра и сигналов
В статье приводится обзор состояния рынка анализаторов спектра (АС), включая настольные и портативные варианты исполнения, а также рынка анализаторов фазового шума (ФШ) на основе информации из открытых источников (Федеральный информационный фонд по обеспечению измерений ФГИС «АРШИН») [1]. Проведён анализ изменения конъюнктуры рынка и объёмов потребления начиная с 2019 года, включая новых производителей оборудования, вышедших на рынок после февраля 2022 года. 15.04.2024 СЭ №4/2024 592 0 0Частицы в ультрачистой воде
Статья написана по материалам международной технологической дорожной карты для полупроводников (IRDS™ 2023) и посвящена обзору технологии контроля концентрации частиц в ультрачистой воде. 15.04.2024 СЭ №4/2024 621 0 0Двухканальный индикатор уровня звука на базе микроконтроллера EFM8LB12 и дисплея OLED 1306
В статье приведены принципиальная схема, разводка и внешний вид платы, программные средства и результаты работы двухканального индикатора уровня звука на основе микроконтроллера (МК) EFM8LB12, двух ОУ MCP6002 и дисплея OLED 1306, на котором для каждого канала отражаются гистограммы с высотой, пропорциональной уровню звука соответствующего канала. Такой индикатор может быть установлен на переднюю панель аудиоусилителя. По сравнению с похожими покупными индикаторами описываемый индикатор отличается простотой и стоит в несколько раз дешевле. 15.04.2024 СЭ №4/2024 571 0 0Электронные датчики и радары в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas
В будущем разработчиков РЭА ожидает эра «одноразовых» устройств: «установил и забыл» – надёжные, устойчивые к внешним воздействиям среды, но не предназначенные для ремонта. Одна из важных решаемых задач – сочетание сбора энергии из среды, её преобразование в электрическую и применение датчиков и микроконтроллеров с крайне низким энергопотреблением. В сочетании с технологиями E-peas (Electronic portable energy autonomous systems – автономные портативные электронные системы), LOP (с низким энергопотреблением) и решениями NXP возникают перспективы датчиков положения, давления и измерения сопутствующих величин от OEM-производителей. С аппаратными настройками и масштабируемостью производительности РЭА в формате процессоров S32R с исключением ошибок в передаче данных аналогового и смешанного сигнала беспроводным способом на небольшие расстояния. В статье представлены примеры системных решений для организации и управления питания датчиков РЭА, задействованных в беспроводной передаче данных, сетевых технологиях и транспортной технике с беспроводной сетью ОТА (Over-the-air – по воздуху). 15.04.2024 СЭ №4/2024 593 0 0