nespl-ˇnuje specifické parametry pro použití pˇri mˇeˇrení pr˚utoku v expiraˇcní vˇetvi HFJV. Limitující je zejména velikost dostupných sond. Nejznámnˇejší firmou v oblasti výroby a inovace miniaturních termických anemometr˚u se žhavenými drátky je Dantec Dynamics. Tato dánská firma nabízí ši-roký výbˇer z nˇekolika typ˚u sond r˚uzných rozmˇer˚u a tvar˚u (Obrázek 15), s volitelným poˇctem pár˚u (1 až 3) aktivních snímaˇc˚u a s více možnostmi materiálového pokrytí [26]. Další významnou fir-mou zhotovující mj. mikrosenzory pr˚utoku je Innovative Sensor Technology AG. Firma IST AG se zabývá návrhem, vývojem i výrobou senzor˚u teploty, vodivosti, vlhkosti a pr˚utoku. IST AG uvádí, že jejich senzorové prvky dominují vysokou pˇresností a unikátními mˇeˇrícími postupy [28].
Obrázek 15: Senzory od formy Dantec Dynamics [27]
Tito dva jedineˇcní zástupci tvoˇrí spíše výjimky v oblasti pr˚utokových snímaˇc˚u. Svými malými rozmˇery i celkovou konstrukˇcní dispozicí vyhovují stanoveným požadavk˚um pro úˇcely mˇeˇrení ve ventilaˇcním okruhu HFJV. Na základˇe dostupnosti a výše úˇctované ceny byl pro experimentální mˇeˇrení vybrán senzor FS5 od výrobce IST AG.
7 Experimetnální senzor v exspiraˇcní vˇetvi okruhu
Teplotní hmotnostní senzor pr˚utoku FS5 je primárnˇe vyrábˇen švýcarskou firmou Innovative Sensor Technology (IST AG, Švýcarsko), jejíž dceˇriná spoleˇcnost sídlí od roku 1995 i v ˇCeské republice.
Základní destiˇcka senzoru je vytvoˇrena ze speciální keramické smˇesi s nízkou tepelnou vodivostí.
Na keramické destiˇcce je dále nanesena tenká vrstva vysoce ˇcisté platiny pomocí automatizova-ných systém˚u, ty zaruˇcují vysokou kvalitu procesu nanášení. Samotný senzor je tvoˇren jedním malým platinovým rezistorem (topné tˇeleso) a druhým velkým, také platinovým, rezistorem (tep-lotní senzor). Pro individuální úpravy spoj˚u se využívá laserového paprsku. Rezistivní struktury jsou pˇrekryty sklenˇenou deskou pro zlepšení mechanické odolnosti a pevnosti. Nutným pˇríslu-šenstvím je vodící kabel, jehož délku lze podle požadavk˚u zákazníka pˇrizp˚usobit. Doposud firma IST uvedla na trh senzor FS5 ve dvou variantách. Prvním typem je samotná senzitivní destiˇcka o standardizovaných rozmˇerech 6,9 x 2,4 x 0,2 mm [30].
Obrázek 16: Senzor FS5 - miniaturní destiˇcka [29]
Vhodnˇejší možností pro umístˇení senzoru FS5 do prvk˚u s trubicovitým tvarem je druhý typ, mini-aturní destiˇcka (délka 4 mm) s válcovým pouzdrem o pr˚umˇeru 6 mm. Pouzdro obsahuje pˇribližnˇe 2 mm vysoký výstupek, jenž zlepšuje ukotvení a také pomáhá urˇcit správnou orientaci senzoru [30].
Obrázek 17: Senzor FS5 - miniaturní destiˇcka s pouzdrem [29]
Senzor FS5 disponuje mnohými benefity pro mˇeˇrení v expiraˇcní vˇetvi HFJV: žádné pohyblivé me-chanické ˇcásti, jednoduché zpracování signálu i kalibrace zaˇrízení, dlouhodobá stabilita ˇci velikost samotné senzorické destiˇcky. Kromˇe uplatnˇení v medicínˇe je možné senzor použít k mˇeˇrení vysoce stlaˇceného vzduchu, pˇri instalatérských opravách (topení, vˇetrání, klimatizace), v automobilovém pr˚umyslu, v monitorovacích a chladicích zaˇrízeních [30].
Princip mˇeˇrení pr˚utoku senzorem FS5 je založen na pˇrenosu tepla, jež je funkcí rychlosti proudící tekutiny. Médium procházející kolem topného tˇelesa na senzorické destiˇcce je ohˇríváno. Získaná
tepelná energie se pˇremˇeˇnuje na vnitˇrní energii molekul dané tekutiny a tím se s rychlostí ší-ˇrení této energie mˇení výsledná teplota média. Pˇri navýšení pr˚utoku se energie pˇredává rychleji, tento efekt zp˚usobuje rychlejší ochlazení média. Veškeré teplotní zmˇeny detekuje teplotní ˇcidlo umístˇené na destiˇcce FS5 za topným tˇelískem (ve smˇeru proudˇení). Vyhodnocení proudˇení média probíhá na základˇe metody CTA (Constant Temperature Anemometer), kdy je udržován konstantní teplotní rozdíl mezi topným tˇelískem a teplotním senzorem. Aby tento teplotní rozdíl z˚ustal stálý, je tˇreba dodávat topnému tˇelísku elektrickou energii, jež kompenzuje ztrátu energie tepelné. Právˇe množství poskytnuté elektrické energie koreluje s rychlostním pr˚utokem [30].
Mˇeˇrící okruh se sestává z jednoduchého zpˇetnovazebného obvodu pro vyrovnání teplotních ztrát ohˇrívaˇce (topné tˇeleso) a klasického vyvažovacího m˚ustku. Odporový m˚ustek tvoˇrí soustava re-zistor˚u spoleˇcnˇe s teplotním senzorem (Pt1200) v jedné vˇetvi a topným tˇelesem ve vˇetvi druhé.
Na neinvertující vstup komparátoru je pˇriveden výstup potenciometru zapojeného do série s tep-lotním senzorem. Do druhé svorky komparátoru je pˇripojen výstup z rezistoru reprezentujícího topné tˇeleso, a tak je porovnáváno napˇetí mezi teplotním ˇcidlem a ohˇrívaˇcem. V závislosti na po-užitém operaˇcním zesilovaˇci je pˇridán vstupní rezistor s ˇrádovˇe megaohmovým odporem. Výstup z komparátoru je pˇriveden na bázi bipolárního NPN tranzistoru, malým proudem tak lze ˇrídit vˇetší proud z napájení, který slouží k dodání energie do topného tˇelesa. Velikost potˇrebného proudu pro dorovnání energie, o níž topné tˇeleso pˇrichází ohˇríváním média, urˇcuje výsledné výstupní napˇetí.
Toto získané napˇetí je ze znalosti pˇrevodní charakteristiky následnˇe pˇrepoˇcteno na pr˚utok média v daném prvku [30].
Obrázek 18: Schéma mˇeˇrícího principu senzoru FS5 [30]
Samotná mˇeˇrící deska disponuje rozmˇery pˇribližnˇe 25 x 45 mm, reakˇcní dobou pod 100 ms, zahˇrí-vacím ˇcasem pod 30 s a vyžaduje stejnosmˇerné napájení 5 V. Pokud se v elektronickém obvodu objeví závada nebo dojde k pˇrepˇetí, svˇetelná dioda signalizuje chybu ˇcerveným svˇetlem. Výrobce však spoleˇcnˇe se senzorem pˇrímo nedodává vyhodnocovací desku, ta tvoˇrí samotnou položku a lze ji pˇrikoupit. Zákazník si pak sám urˇcí, zda požaduje aktivní testovací okruh, analogový i digitální výstup ˇci nˇekterou z dostupných kombinací [31].
7.1 Pˇrevodní charakteristika senzoru FS5
Pro zjištˇení závislosti pr˚utoku a napˇetí bylo navrženo experimentální mˇeˇrení pomocí zaˇrízení s ma-nuálnˇe nastavitelným pr˚utokem. Vzduch z laboratorní tlakové láhve vstupoval do pr˚utokomˇeru Omega FMA 5400/5500 (OMEGA Engineering inc., Velká Británie), kde bylo možné nastavit po-žadovaný pr˚utok. Nejprve byla zmˇeˇrena hodnota napˇetí pˇri nulovém pr˚utoku, která je v podstatˇe dána teplotou vzduchu v okolí senzoru. Následnˇe byla na výstup pr˚utokomˇeru pˇripojena apara-tura obsahující senzor, zakonˇcená dlouhým vývodem pro linearizaci pr˚utoku po pr˚uchodu celým mˇeˇrícím systémem.
Obrázek 19: Experimentální mˇeˇrení pˇrevodní charakteristiky senzorem FS5
Kv˚uli výrazné citlivosti senzoru FS5 se dále pokraˇcovalo s krokem 1 L/min, jenž byl s pˇresností na dvˇe desetinná místa postupnˇe nastavován. Kv˚uli patrné setrvaˇcnosti pr˚utokomˇeru bylo nutné trpˇelivˇe vyˇckat do doby, než došlo k ustálení hodnoty na pr˚utokomˇeru. Na základˇe celého mˇeˇrení bylo získáno 36 hodnot napˇetí pro nastavovaný pr˚utok od 0 do 35 L/min (Tabulka1). Veškerá napˇetí byla zobrazována na digitálním stolním multimetru Agilent 34401A pˇripojeném na vyhodnocovací desku senzoru FS5. Od každého namˇeˇreného napˇetí byla odeˇctena hodnota napˇetí pˇri nulovém pr˚utoku a všechny hodnoty pak byly vyneseny do pˇrehledného grafu v prostˇredí Matlab (The MathWorks, Natick, Massachusetts,USA), kde bylo možné vykreslit kalibraˇcní pˇrímku. Zobrazená bodová kˇrivka se nejvíce blížila mocninné funkci prvního ˇrádu, kterou byly body proloženy.
Q=5,829·U3,739, (8)
kde Q je pr˚utok a U mˇeˇrené napˇetí. Rovnice (8) popisující tuto funkci poslouží pˇri pˇrevodu napˇetí na pr˚utok pˇri testování senzoru FS5 a u samotné jeho implementace do okruhu HFJV.
Tabulka 1: Pˇrehled namˇeˇrených hodnot napˇetí v závislosti na nastavovaném pr˚utoku
Obrázek 20: Pˇrevodní charakteristika senzoru FS5