Управление и диагностика элементов интеллектуальных датчиков давления



Датчики для измерения избыточного давления, абсолютного давления, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления (уровня) широко применяются для мониторинга различных технологических процессов, контроля и учета потребления природных ресурсов, учета энергоносителей и многих других задач охватывая диапазон давлений от 50 Па до 250 МПа.

Развитие датчиков давления идет одновременно по двум направлениям:

− совершенствование измерительных блоков

− совершенствование электронных устройств.

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис. 1), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране.

Рис. 1. Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

Принципиальное ограничение КНС преобразователя — неустранимая временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны сконструктивными элементами датчика.

Практически все производители датчиков в России проявляют интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.

Основным преимуществом кремниевых преобразователей давления является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. Они устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

Рис. 2. Кремниевый интегральный преобразователь давления

Существенно лучшие показатели по основной погрешности, гистерезису, динамическому диапазону и временной стабильности имеют емкостные и резонансные преобразователи, выпускаемые мировыми лидерами в производстве датчиков давления как Fisher-Rosemount, MKS-Instruments, Druck, Yokogawa. Для датчиков с емкостными и резонансными чувствительными элементами типичными являются:

− основная погрешность 0,075; 0,04; 0,025 %

− межповерочный интервал не менее 3÷5 лет

− диапазон перенастройки 1:50; 1:100.

Высокие точностные характеристики делают их незаменимыми при коммерческом учете и контроле, где их высокая цена компенсируется стоимостью сэкономленных ресурсов.

Кроме упомянутых выше методов преобразования давления в электрический сигнал, следует упомянуть индукционный и ионизационный методы.

В таблице 1 приведены основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал.

Таблица 1

Основные достоинства инедостатки методов преобразования давления вэлектрический сигнал

Достоинства	Недостатки
КНС-преобразователи
Высокая степень защиты от агрессивной среды Высокий предел рабочей температуры Налажено серийное производство 4. Низкая стоимость	Неустранимая нестабильность градуировочной характеристики Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Преобразователи на монокристаллическом кремнии
Высокая стабильность характеристик Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты Высокая точность Низкая цена Возможность измерять давление различных агрессивных средств	Ограничение по температуре (до 150ºC)
Емкостной
Высокая точность Высокая стабильность характеристик Возможность измерять низкий вакуум Простота конструкции Стойкость к перегрузкам	Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления
Резонансный
Высокая стабильность характеристик 2. Высокая точность измерения давления	При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потере точности измерения Высокая цена Длительное время отклика Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал
Индукционный
Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью Незначительное влияние температуры на точность измерения	Сильное влияние магнитного поля Чувствительность к вибрациям и ударам
Ионизационный
Возможность измерение высокого вакуума Высокая точность Стабильность выходных параметров	Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом) Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления Высокая хрупкость Необходимо сочетать с другими датчиками давления

В большинстве случаев требуется несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, как видно из вышеприведенной таблицы, удовлетворяют пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи.

Совершенствование электронных устройств обусловлено, в первую очередь, высокими темпами развития микроэлектроники. Именно с изменением элементной базы электронных устройств обработки сигналов первичных преобразователей (ПП) связано появление нового поколения датчиков. На рынке появились недорогие микроэлектронные устройства (в частности микропроцессоры, аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи) технические характеристики которых позволили провести разработки интеллектуальных датчиков давления (ИДД).

Литература:

1. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие. Под ред. Кашарского Б. Д. — Л.: Машиностроение, 1976. – 488 с.
2. Артемьев Б. Г., Голубев С. М. Справочное пособие для работников метрологических служб. — М.: Изд-во стандартов, 1982. — 280 с.
3. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Под ред. Кавалерова Г. И. — М: ЦНИИТЭИ, 1981. – 392 с.
4. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы: Учебник для вузов. — К.: Вища шк., 1980. — 560 с.
5. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50–213–80. — М.: Изд-во стандартов, 1982. – 320 с.
6. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник / Под ред. Черенкова В. В. — Л.: Машиностроение, 1987. — 847 с.