Сколько крови пьет комар или сверхчувствительные датчики потока от Sensirion

| Sensirion AG

Измерение скорости потока жидкости является достаточно распространенной задачей. Ее приходится решать в промышленности (управление технологическими процессами), в жилищно-коммунальном хозяйстве (счетчики потребления воды), в потребительском секторе (кофе-машины) и т. д. В приведенных примерах значения скоростей потока жидкости существенно отличаются: от десятков литров до миллилитров в минуту. Существуют и такие приложения, в которых требуется измерять поток всего в несколько микролитров в минуту, например, при подаче лекарств в кровь пациента. Естественно, что для таких нетривиальных случаев требуется особый датчик с очень высокой чувствительностью. Именно для таких задач компания Sensirion разработала линейку сенсоров LPG10 (рис. 1).

 Внешний вид датчиков LPG10 от Sensirion

Рис. 1. Внешний вид датчиков LPG10 от Sensirion

На сегодняшний день существуют различные способы определения скорости потока жидкостей. Например, в бытовых приборах учета по-прежнему широко используется механическая система измерений. В ней протекание жидкости вызывает вращение подвижной крыльчатки. Число оборотов подсчитывается и преобразуется в скорость потока. В более современных устройствах применяют ультразвуковую технологию ToF (time of flight). В ней скорость протекания жидкости (или газа) определяется по разности скоростей пролета прямой и обратной звуковой волны.

Приведенные способы измерений представляют собой надежные и проверенные инструменты, однако их возможности ограничены. Дело  в том, что они создавались для работы со значительными уровнями потока жидкости от десятков миллилитров в минуту. Если требуется определять поток в несколько микролитров в минуту, то чувствительности традиционных сенсоров может и не хватить.

Конечно, в данном случае речь идет вовсе не об измерении скорости, с которой комар пьет кровь у своей жертвы. Этот вопрос заинтересует в первую очередь только британских ученых. Более востребованными будут задачи из области медицины. В частности, при учете объема введенного лекарства приходится работать со скоростями в единицы и десятки мл/мин. Для сравнения скорость подачи у кофе-машины составляет сотни мл/мин (рис. 2).

Сравнение скоростей потоков жидкостей

Рис. 2. Сравнение скоростей потоков жидкостей

Для столь малых скоростей потока требуется специализированный датчик с очень высокой чувствительностью. Кроме того, он также должен обладать и минимальными габаритами, чтобы, например, его можно было бы внедрить в узкие капилляры для капельницы. Специально для таких особых случаев компания Sensirion разработала линейку своих датчиков LPG10.

В настоящий момент Sensirion выпускает три типа датчиков LPG10 (рис. 1):

  • LPG10-1000 – датчик для измерения потока жидкости до 1000 мкл/мин;
  • LPG10-0500 – датчик для измерения потока жидкости до 100 мкл/мин;
  • LPG10-0150 – датчик для измерения потока жидкости до 15 мкл/мин.

Принцип действия датчиков LPG10 весьма специфичен (рис. 3). Измерительная система включает пару датчиков температуры, нагреватель и цифровой контроллер. Все эти элементы располагаются на стеклянной подложке и не имеют прямого контакта с рабочей средой. Нагреватель выполняет функцию локального нагрева жидкости. При наличии потока нагретая часть жидкости смещается вдоль капилляра, при этом показания датчиков температуры будут отличаться. По разности температур можно судить о скорости потока.

Принцип действия датчиков LPG от Sensirion

Рис. 3. Принцип действия датчиков LPG от Sensirion

Несмотря на кажущуюся простоту, добиться высокой точности при таком способе измерений достаточно сложно. Тем не менее, компании Sensirion это удалось (рис. 4). Например, датчик LPG10-1000 в рабочем диапазоне скоростей жидкости до 100 мл/мин имеет абсолютную погрешность менее %, что весьма неплохо. При этом в диапазоне 10…50 мл/мин погрешность составляет около 2%.

Погрешности измерения для датчика LPG10-1000

Рис. 4. Погрешности измерения для датчика LPG10-1000

Контроллер, встроенный в LPG10, производит опрос датчиков температуры, обрабатывает сигналы и передает полученные данные во внешний микроконтроллер или процессор. Для связи используется интерфейс I2C (рис. 5).

Для передачи данных LPG-10

Рис. 5. Для передачи данных LPG-10

Кроме высокой точности LPG-10 отличаются весьма компактными размерами – всего 10 х 10 мм (рис. 6). При этом сам датчик не нужно помещать в объем капилляра с жидкостью. В то время как в механических приборах учета требуется «запихнуть» в канал крыльчатку, а в ультразвуковых датчиках в канал необходимо втиснуть пару трансдьюсеров.

 Габаритные размеры датчиков LPG10

Рис. 6. Габаритные размеры датчиков LPG10

Среди достоинств LPG10 стоит выделить и малое время отклика – всего 40 мс, а время включения 120 мс. Это позволяет быстро реагировать даже на минимальные изменения скорости потока, за счет чего можно даже компенсировать неравномерность работы насоса жидкости. 

Как уже говорилось, выше датчики LPG10 представляют собой стеклянную подложку, на которой расположены элементы измерительной системы (рис. 1, 6). При этом для подключения датчиков на верхней стороне предусмотрены контактные площадки. Такое решение оказывается не очень удобным, так как требует достаточно сложной конструкции монтажа. Рассмотрим ее на примере отладочного набора Evaluation Kit LPG10-1000.

В наборе Evaluation Kit LPG10-1000 для крепления датчика предполагается использовать особый конструктив, в котором предусмотрен специальный паз (рис. 7).

Конструктив для монтажа датчика LPG10

Рис. 7. Конструктив для монтажа датчика LPG10

Для подключения электрических цепей используется второй конструктивный элемент (рис. 8). Он представляет собой крышку с 4-хконтактным разъемом и подпружиненными иглами, которые упираются в контактные площадки на поверхности датчика.

Крышка закрывает датчик и обеспечивает электрическое подключение

Рис. 8. Крышка закрывает датчик и обеспечивает электрическое подключение

Несмотря на сложную конструкцию, в собранном состоянии датчик оказывается достаточно компактным (рис.9).

 Законченный датчик потока из отладочного набора Evaluation Kit LPG10-1000

Рис. 9. Законченный датчик потока из отладочного набора Evaluation Kit LPG10-1000 

Естественно, предложенная конструкция не единственная. Например, в законченных расходомерах от Sensirion используется другое расположение датчика (рис. 10).

Конструкция стандартного расходомера от Senserion

Рис. 10. Конструкция стандартного расходомера от Senserion

Стоит отметить, что сфера применения датчиков LPG10 не ограничивается медициной, их также потенциально можно использовать и в других сферах в лабораторном оборудовании.

Характеристики датчиков LPG10-1000 (артикул 1-101126-01):

  • номинальный измеряемый поток: 1000 мкл/мин;
  • предельный поток: 1500 мкл/мин;
  • коммуникационный интерфейс: I2C;
  • абсолютная погрешность: 5%;
  • время отклика: 40 мс;
  • диапазон напряжений питания: 3,3…3,6 В;
  • номинальный ток потребления: <6 мА;
  • диапазон рабочих температур: +5…+50 °C;
  • диапазон температур хранения: -40…+60 °C;
  • исполнение: бескорпусное 10x10x2,25 мм.
Производитель: Sensirion AG
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LPG10-1000
LPG10-1000
Sensirion AG
Арт.: 2560643 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Датчик для измерения потока жидкости до 1000 мкл/мин.
LPG10-1000
-
Поиск
предложений
LPG10-0500
LPG10-0500
Sensirion AG
Арт.: 2560644 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Датчик для измерения потока жидкости до 100 мкл/мин.
LPG10-0500
-
Поиск
предложений
LPG10-0150
LPG10-0150
Sensirion AG
Арт.: 2560645 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Датчик для измерения потока жидкости до 15 мкл/мин.
LPG10-0150
-
Поиск
предложений