Luettelo
1. WF282A-anturin esittely
Oikean paineanturin valinta on avainasemassa tasavirtamoottorikäyttöisessä tuulettimen ilmavirtaprojektissa. WF-antureiden WF282A on digitaalinen barometrinen anturi, joka perustuu pietsoresistiiviseen MEMS-tekniikkaan. Se käyttää piikalvoa, jonka vastus muuttuu paineen alaisena, yhdistettynä 24-bittiseen ADC:hen ja kalibrointikertoimiin tarkkojen paine- ja lämpötilalukemien tulostamiseen.
1.1 Tunnistuksen periaate ja paketti
WF282A:n sisällä pietsoresistiivinen kalvo deformoituu ulkoisen paineen vaikutuksesta, jolloin syntyy Wheatstonen siltalähtö. Tämä signaali vahvistetaan, suodatetaan ja muunnetaan korkearesoluutioisen ADC:n kautta. Edeltäjäänsä WF282 verrattuna WF282A on 63 % pienempi, ja se on sijoitettu 8-nastaiseen LGA-metallipakkaukseen (2,0 × 2,5 × 0,98 mm³), mikä tarjoaa erinomaisen EMC-kestävyyden ja pitkän aikavälin vakauden.
1.2 Tärkeimmät tiedot
Alue: 300 hPa - 1100 hPa, kattaa korkeudet -500 m - +9000 m.
Tyypillinen suhteellinen tarkkuus: ±0,12 hPa (≈±1 m korkeus).
Ratkaisu: 0,01 hPa (≈1 Pa); Tyypillinen RMS-melu on 1,3 Pa, mikä riittää ratkaisemaan tuulettimen pienet staattisen paineen muutokset.
Toimittaa & Tehoa: 1,71 – 3,6 V; 2,7 μA 1 Hz:n virkistystaajuudella, 0,1 μA lepotilassa, ihanteellinen akkukäyttöisille järjestelmille.
Rajapinta: I²C jopa 3,4 MHz tai SPI jopa 10 MHz joustavaan mikro-ohjaimen integrointiin
1.3 Edut ja huomiot
Suuri tarkkuus, alhainen poikkeama: Boschin testattu MEMS-prosessi tuottaa erinomaisen lineaarisuuden ja vakauden, ja lämpötilakertoimen poikkeama on vain 1,5 Pa/K (≈12,6 cm/K).
Pieni jalanjälki, erittäin pieni teho: Täydellinen tilan- ja tehorajoitteisiin sovelluksiin, mutta staattisten porttien huolellinen sijoitus on tarpeen dynaamisen paineen virheiden välttämiseksi suurilla ilmavirtausnopeuksilla.
Muokattava suodatus & Tilat: Sirulla olevat IIR-suodattimet ja useat teho-/mittaustilat tukevat näytteenottotaajuuksia 0,016 Hz - 157 Hz, joita voidaan mukauttaa erilaisiin vaatimuksiin.
Korkean resoluution, alhaisen melutason, minimaalisen virrankulutuksen ja joustavien liitäntävaihtoehtojensa ansiosta WF282A on ihanteellinen valinta staattisen paineen mittaamiseen tuuletinohjatuissa ilmavirtaprojekteissa. Yhdessä hyvin suunnitellun staattisen portin kanssa se voi siepata paineen muutoksia muutaman pascalin luokkaa, mikä luo vankan perustan ilmavirran arvioinnille ja suorituskykyanalyysille.
2. Hankkeen tausta ja vaatimukset
2.1 Hankkeen tavoitteet
Tämän projektin tavoitteena on arvioida tasavirtamoottorikäyttöisen tuulettimen eri nopeuksilla tuottaman ilmavirran intensiteettiä mittaamalla staattisia paineen vaihteluita puhallinkanavan sisällä, jolloin saadaan kvantitatiivista tietoa suorituskyvyn optimointiin ja energiatehokkuusanalyysiin. Tämä menetelmä hyödyntää WF282A-anturin korkearesoluutioista staattisen paineen mittauskykyä paine-erojen muuttamiseksi ilmavirran nopeuteen ja tilavuusvirtaan verrannollisiksi mittareiksi, mikä auttaa insinöörejä ja tee-se-itse-harrastajia arvioimaan tuulettimen suorituskykyä intuitiivisen numeerisen palautteen avulla. Verrattuna perinteisiin tuulimittareihin tai kuumalanka-antureihin, staattiseen paineeseen perustuva lähestymistapa tarjoaa helpomman asennuksen, alhaisemmat kustannukset ja ei altista anturin kalvoa suoraan suurnopeuksille ilmavirroille, joten se on ihanteellinen pieniin kanava- tai kotipuhaltimiin.
2.2 Mittaushaasteet
Puhaltimien tuottamat staattiset paine-erot ovat tyypillisesti alle 200 Pa, mikä vaatii sensorin, joka pystyy ratkaisemaan muutokset 1 Pa:n tasolla tai paremmin signaalin tunnistamiseksi luotettavasti. Lisäksi ilmavirran turbulenssi ja pulssi aiheuttavat kohinaa, joten ilman asianmukaista mekaanista sijoittelua ja tiedonsuodatusstrategioita painelukemat vaihtelevat merkittävästi, mikä vaikeuttaa vakaiden virtausolosuhteiden sieppaamista. Tämä staattisen paineen näytteenottotekniikka on saanut inspiraationsa pitot-staattisesta järjestelmästä, jota yleisesti käytetään ilmailussa mittaamaan tarkasti ilmavirran staattista painetta. Anturin altistaminen suoraan ilmavirralle johtaa kokonaispaineen mittaukseen (staattinen + dynaaminen), joten staattinen portti on suunniteltava ja sijoitettava pois suorasta virtauksen vaikutuksesta – yleensä kanavan sivuseinään – ja liitettävä anturiin letkulla puhtaan staattisen paineen ottamiseksi. Lisäksi ympäristön lämpötila ja barometrinen poikkeama voivat muuttaa lukemia ajan myötä, mikä edellyttää peruskalibrointia ja lämpötilan kompensointia ohjelmistossa mittaustarkkuuden ylläpitämiseksi.
2.3 WF282A:n soveltuvuusanalyysi
WF282A-anturin mittausalue on 300–1100 hPa, tyypillinen suhteellinen tarkkuus ±0,12 hPa ja resoluutio jopa 0,01 hPa (≈1 Pa) ja satunnainen kohina noin ±4 Pa, mikä riittää kuvaamaan tuulettimen aiheuttamat muutaman pascalin staattisen paineen muutokset. Sen erittäin pieni virrankulutus (≈2,7 μA 1 Hz:n päivitystaajuudella) ja pienikokoinen paketti (2,0 × 2,5 × 0,95 mm³) tekevät siitä helpon upottaa kompakteihin kanavajärjestelmiin jatkuvaa valvontaa varten. Anturi sisältää sirulla olevat IIR-suodattimet ja useita ylinäytteistystiloja, jotka voidaan määrittää rekistereillä, mikä mahdollistaa tasapainon näytteenottotaajuuden ja kohinan vähentämisen välillä signaalin vakauden parantamiseksi resoluutiosta tinkimättä.
2.4 Suunnittelutapa
Luotettava staattisen paineen näytteenotto saavutetaan poraamalla sarja 15 mm syviä, halkaisijaltaan 1 mm:n staattisia portteja kanavan sivuseinään ja liittämällä ne sitten WF282A-paineporttiin lyhyellä letkulla anturien eristämiseksi suoralta ilmavirran vaikutukselta. Portin sijainnin tulee välttää suoraa siiven törmäämistä – tyypillisesti siiven keskiosaan tai tasaisesti kanavaa pitkin – edustavien staattisen paineen tietojen keräämiseksi. Sähköisesti WF282A kommunikoi I²C:n (jopa 3,4 MHz) kautta ja muodostaa yhteyden Arduinoon tai muuhun mikro-ohjaimeen neljän johdon kautta: VCC, GND, SDA ja SCL. Väylälinjoihin suositellaan 4,7 kΩ:n vetovastusta tasaisten lukemien varmistamiseksi ja ajautumisen estämiseksi. Ota ohjelmistossa käyttöön asianmukainen ylinäytteenotto ja suodatus (esim. 16-kertainen ylinäyte, IIR-suodatinkerroin 4) ja käytä 500 ms:n näytteenottoväliä. Käytä liukuvaa keskiarvoa tai eksponentiaalista tasoitusikkunaa (N=10) vähentääksesi satunnaista kohinaa ja muunna sitten absoluuttinen ilmanpaine suhteelliseksi staattisen paineen muutokseksi sovelluksen edellyttämällä tavalla.
3. Anturin sijoitus & Asennus
3.1 Static-Port Design
Mittaa puhdasta staattista painetta poraamalla erillinen staattinen portti kanavan sivuseinään. Tyypillinen portti on halkaisijaltaan 1 mm, 15 mm syvä reikä, jossa on sileä sisäpinta, joka minimoi paikallisen turbulenssin ja pyörteet, jotka voivat vääristää lukemia. Sijoita portti pois suorasta siiven törmäyksestä – ihannetapauksessa kanavan seinämän keskijännettä pitkin – häiriöttömän staattisen paineen mittaamiseksi. Liitä portti WF282A-painetuloon ≤ 30 mm pituisella silikoni- tai PTFE-letkulla. Tämä lyhyt, yhteensopiva putki tarjoaa hyvän tasapainon nopean dynaamisen vasteen ja ohimenevien piikkien vaimennuksen välillä varmistaen, että tallennat aidot paineen muutokset ilman liiallista melua. Tämä lähestymistapa heijastaa ilmailun instrumenteissa käytettyä pitot-staattista järjestelmää, joka erottaa staattisen paineen mittaukset dynaamisista painevaikutuksista.
3.2 Asennuspaikka
Kiinnitä anturikokoonpano ulkoiseen kannattimeen tai levyyn pääilmavirtausreitin ulkopuolelle suojaamalla sitä mekaaniselta tärinältä ja hiukkasiskuilta ja mahdollistaen samalla helpon pääsyn. Ihanteellinen sijainti on kanavan keskimmäinen ulkoseinä, joka tarjoaa edustavan staattisen painenäytteen ja pysyy poissa paikallisista terän kärjen pyörteistä. Pidempiä kanavia varten tai melunvaimennusta varten useita staattisia portteja voidaan sijoittaa erilleen tulo-, keskipiste- ja ulostulokohtiin. silloin WF282A voi pollata jokaista peräkkäin ja keskiarvotuloksia saadakseen vakaamman lukeman. Varmista, että moduuli on suunnattu vaakasuoraan, jotta gravitaatiovoimat eivät esijännitä MEMS-kalvoa.
3.3 Tiivistys & Suojaus
Tiivistä kaikki letkut ja anturiliitännät neutraalikovettuvalla silikonilla ja kiristä letkunkiristimet vuotojen saavuttamiseksi < 0.1 Pa/s, mikä estää vääriä painehäviöitä vuodoista. Peitä portti ja anturin tuuletusaukot ohuella ruostumattomasta teräksestä tai nylonkankaalla (verkko < 0.5 mm) pölyn ja vesipisaroiden estämiseksi. Kosteissa ympäristöissä lisää hydrofobinen kalvo, joka poistaa kondenssiveden ilman rajoituksia. Pitkäaikaisessa käytössä puhdista näytöt säännöllisesti ja vaihda sisäänrakennetut suodattimet säilyttääksesi vakaat mittaukset.
3.4 Sähköliitäntä
WF282A tukee I²C:tä (jopa 3,4 MHz) ja SPI:tä (jopa 10 MHz); tässä käytämme I²C:tä. Johda VCC → 3,3 V, GND → GND, SDA → A4 ja SCL → A5 Arduino- tai MCU-laitteeseen ja aseta 4,7 kΩ vetovastukset SDA- ja SCL-linjoihin pitääksesi väylän tyhjäkäynnillä korkealla ja estääksesi signaalin ajautumisen. Pidä johdot lyhyinä (≤ 100 mm) ja niputa signaalijohdot erilleen suurvirtakaapeleista EMI:n minimoimiseksi. Tarkista anturin tarkistaminen käynnistämisen jälkeen etsimällä I²C-osoite 0x76/0x77. Määritä laiteohjelmistossa 16-kertainen ylinäytteistys ja IIR-suodatinkerroin 4 tasapainottaaksesi resoluution ja vasteajan.
4. Tietojen hankinta & Käsittely
4.1 Näytteenottotaajuus & Ylinäytteenotto
Asetimme WF282A:n näytteenottoväliksi 500 ms (2 Hz), mikä tasapainotti tarpeen seurata puhaltimen nopeuden muutoksista aiheutuvia dynaamisia paineen vaihteluita erittäin alhaisella virrankulutuksella (~2,7 μA). Tarkkuuden parantamiseksi ja kohinan vähentämiseksi otimme käyttöön 16-kertaisen paineen ylinäytteenoton ja määritimme sirun IIR-suodattimen kertoimella 4 (Filter_X4), joka ylläpitää riittävän nopeaa vastetta sekuntia pienempiä mittausvaatimuksia varten.
4.2 Suodatusstrategia
WF282A:n sisäisen IIR-suodattimen lisäksi otimme käyttöön 10 pisteen liukuvan keskiarvon suodattimen Arduino-puolelle, joka summaa ja laskee keskiarvon joka 10. peräkkäinen lukema poistaaksemme lyhytaikaiset piikit ja RF-häiriöt. Tämä kaksivaiheinen suodatus tuottaa tasaisemman painesignaalin säilyttäen samalla merkittäviä tapahtumia, kuten tuulettimen käynnistys-pysäytystransientteja.
4.3 Perustason kalibrointi
Suhteellisen staattisen paineen mittausten välisen ilmanpaineen poikkeaman eliminoimiseksi keräämme ja keskimääräiset lukemat ensimmäisten 10 sekunnin aikana käynnistyksen jälkeen käyttämällä tätä nollaperusviivana. Myöhemmät mittaukset vähentävät tämän perusviivan staattisen paineen nettomuutoksen tulostamiseksi. Tämä automaattinen kalibrointi kumoaa tyypilliset ±1 hPa ilmakehän vaihtelut ilman käyttäjän toimia.
4.4 Virheanalyysi
Boschin tietolomakkeen mukaan WF282A:n tyypillinen RMS-kohina on noin 1,3 Pa; 16-kertaisella ylinäytteistyksellä ja IIR 4 -suodatuksella kohina putoaa arvoon ≈0,8 Pa. Yhdistetty liukuva keskiarvomme vähentää satunnaisia vaihteluita ±2 Pa:n tarkkuudella laboratorio-olosuhteissa.
5. Kokeelliset tulokset & Analyysi
5.1 Testausasetukset
Käytimme nopeaa puhallinta, joka tuottaa ~5 m/s ilmavirran kanavan sisääntulossa. WF282A:han liitetyssä staattisen portin letkussa (20 mm:n silikoni) oli hienoverkko, joka estää hiukkaset. Arduino suoratoi painelukemat tietokoneelle reaaliaikaista kirjaamista ja visualisointia varten.
5.2 Tietojen esitys & Vertailu
Täysvirtausolosuhteissa staattinen nettopaine hyppäsi 0 Pa:sta perusviivasta ~100 Pa:iin yhden näytteenottovälin sisällä, minkä jälkeen se stabiloitui ±3 Pa:n vaihteluilla. Puhaltimen sammuessa paine palasi lähelle 0 Pa:ta 5 sekunnissa, mikä tallensi selkeästi puhaltimen käynnistyksen, vakaan tilan ja pysäytysvaiheet.
5.3 Tarkkuusarviointi
20 toistetussa testissä identtisissä olosuhteissa keskimääräinen mitattu paine oli 98,7 Pa keskihajonnan ollessa 3,1 Pa, mikä on linjassa WF282A:n määrittämien meluominaisuuksien kanssa suodatuksen jälkeen. Kalibrointikäyrä tuotti R² ≥ 0,998, mikä vahvistaa erinomaisen lineaarisuuden ja tarkkuuden.
5.4 Parannussuositukset
Tulevaisuuden työhön voi sisältyä moniporttinen differentiaalimittaus ympäristöhäiriöiden poistamiseksi tai yhdistetty lämpötila-/kosteusanturi (esim. WF282A) moniparametrien kompensointia varten, mikä parantaa kestävyyttä monimutkaisissa olosuhteissa.
Johtopäätös
Tässä projektissa käytetään sivuseinän staattista porttia ja lyhyttä letkua WF282A-anturin kytkemiseksi tarkkaan staattisen paineen näytteenottoon tasavirtaohjatun tuulettimen ilmavirrasta. Hyödyntämällä WF280A:n 0,01 hPa:n resoluutiota ja ±0,12 hPa:n tarkkuutta yhdistettynä 16-kertaiseen ylinäytteenottoon, sirulla olevaan IIR-suodatukseen ja 10 pisteen liukuvaan keskiarvoon mittaustarkkuus parani ±3 Pa:n tarkkuudella. Kokeet ilmavirralla ~5 m/s osoittivat staattisen paineen nettohypyn 0 Pa:sta ~0 Pa:een; kaksikymmentä koetta tuottivat keskimäärin 98,7 Pa, 3,1 Pa:n standardipoikkeama ja lineaarinen R² ≥ 0,998. Edullinen, helposti asennettava järjestelmä, joka käyttää I²C-tietoliikennettä, tukee moniporttista differentiaalimittausta ja sillä on erinomainen skaalautuvuus ja kestävyys. Tämä lähestymistapa tarjoaa kustannustehokkaan, toistettavan ratkaisun puhaltimien suorituskyvyn arviointiin ja ilmanvaihdon valvontaan sekä asuin- että teollisuusympäristöissä, minkä ansiosta insinöörit ja harrastajat voivat ottaa nopeasti käyttöön ilmavirran valvontajärjestelmiä.
Yllä oleva esittely vain raaputtaa paineanturitekniikan sovellusten pintaa. Jatkamme eri tuotteissa käytettävien erityyppisten anturielementtien, niiden toiminnan sekä niiden etujen ja haittojen tutkimista. Jos haluat lisätietoja täällä käsitellyistä asioista, voit tutustua aiheeseen liittyvään sisältöön myöhemmin tässä oppaassa. Jos sinulla on kiire, voit myös napsauttaa tästä ladataksesi näiden oppaiden tiedot Ilmanpaine -anturituotteen PDF -tiedot.
Lisätietoja muista anturitekniikoista saat Käy anturisivulla.