Wasser Durchflusssensor YF-S401

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Abblidung 1: Wasser Durchflusssensor YF-S401

Autor: Sven Posner
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Innerhalb des Schwerpunkts Systems Design Engineering (SDE), sollte im Fach Sensortechnik ein Sensor ausgewählt und mit einem beliebigen Mikrocontroller ausgewertet werden. Dazu gehört das Ermitteln der Sensordaten und der Funktionsweise des Sensors. Des Weiteren soll der Sensor mit einer Auswerteschaltung und einer dazugehörigen Software in Betrieb genommen werden.
Dieser Artikel behandelt den Wasser Durchflusssensor YF-S401, der mit einem Arduino Uno R3 ausgewertet werden soll.

Einleitung

Der Durchfluss von Flüssigkeiten wird in Volumen pro Zeiteinheit, dem Volumenstrom, gemessen. Das kann auf direkte und indirekte Weise geschehen. Bei dem hier Vorgestellten Durchflusssensor handelt es sich um einen Flügelradzähler. Das heißt der Messwert wird indirekt über ein Flügelrad aufgenommen und die Drehbewegung des Flügelrads wird dann in ein elektrische Signal umgewandelt.

Technische Daten

Parameter	Werte
Spannungsbereich	5 - 24 V DC
Pulsfrequenz pro l/min	98 Hz
Messbereich	0,3 - 6 l/min (mit einer Genauigkeit von ±10 %)
Maximaler Wasserdruck	0,8 MPa (8 Bar)
Betriebstemperatur	-25 - 80 °C
Tastgrad	50 % ±10 %
Spannungspuls (Bei 5 V Eingangsspannung)	4,7 V

Pinout
Rot	Vcc (5 - 25 V DC)
Schwarz	GND
Gelb	Signal

Prinziperklärung

Das Messprinzip des Flügelradsensors beruht auf der volumetrischen Messung des Durchflusses. Dabei wird der Volumenstrom mit den Messkammern des Flügelrads ermittelt. Das heißt, das Füllen der einzelnen Kammern des Flügelrads entspricht einem gewissen Volumen, das über die Drehbewegung in ein Verhältnis zur Zeit gesetzt wird. Die Rotation des Flügelrad wiederum wird über einen Hallsensor ermittelt, der somit als Primarsensor dient. Dazu sind an der Welle des Flügelrads in gleichmäßigen abständen Permanentmagneten platziert, deren Magnetfeld dann von dem Hallsensor erfasst wird. Der Hallsensor gibt die so entstehenden Impulse an den Arduino weiter. Dieser wertet die Impulse dann aus.

Auswahl eines Primärsensors

 
Wie funktioniert der Sensor?
Welche Rohsignale liefert der Sensor?

Abblidung 2: Schematische Darstellung des Halleffekts

Als Primärsensor dieses Sensorsystems dient ein Hall Sensor. hallsensoren bestehen meistens aus dünnen Halbleiterplättchen. Fließt infolge einer Angelegten Spannung ein Strom $I$ durch den Sensor und wird zusätzlich durch das Magnetfeld $B$ gebracht, so wirkt eine Lorenzkraft auf die Ladungsträger. Diese sorgt dafür, dass eine Spannung $U_H$ an den Spannungsabgriffen induziert wird. Diese Hallspannung wächst mit der Stärke des Steuerstroms, und der Magnetischen Flussdichte.

Dieser Hallsensor ist direkt in den IC TLE4905 integriert. Sobald ein positives magnetisches Feld an diesem anliegt und die die Einschalt-Induktion $B_{OP}$ überschritten wird, wird der Ausgang des ICs auf die Ausgangsspannug $V_{QL}$ (LOW) geschaltet. Wenn der magnetisch Fluss reduziert wird und der Relase Point unterschritten wird, wird der Ausgang wieder auf $V_{QH}$ (HIGH) gesetzt.
Intern ist dem IC TLE4905 ein Pull-Up-Wiederstand vorgeschaltet. Ohne den Widerstand kann es sein, dass der Ein-Zustand nicht klar definiert ist. Deshalb zieht der Pull-Up-Wiederstand die Spannung auf $U_b$ (+5 V). Der IC, der hier als Schalter fungiert wird also zwischen Widerstand und Ground angeschlossen.
jedes mal, wenn ein Magnet sich an dem Hallsensor vorbei bewegt, sendet dieser kurz ein Low-Signal aus. Um das auszunutzen, wurden an der Welle des Flügelrads Permanentmagneten befestigt. durch diese Konfiguration sendet der Sensor Unterbrechungen mit einer Frequenz von 98 Hz bei einem Durchfluss von 1 l/min.

Abblidung 3: Schaltcharakteristik des Hallsensor-ICs TLE4950

Equipment

Verwendete Software

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Software verwendet:

• Arduino Software IDE 1.8.13
• Fritzing
• Tortoise SVN

Verwendete Komponente

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Komponente eingesetzt:

• Wasser Durchflusssensor YF-S401
• Arduino UNO R3 (AZ-Delivery Edition)
• 5 V Tauchpumpe DollaTec

Messkette

Signalvorverarbeitung

Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?

Analog-Digital-Umsetzer

Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
Welcher ADU kommt zum Einsatz?
Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?

Bussystem

Für den Sensor wird kein Bussystem benötigt.

Digitale Signalverarbeitung

Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
Welche Filter werden angewendet?
Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.

Bewertung des Sensors

Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.

Quellenverzeichnis

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