Управление и диагностика элементов интеллектуальных датчиков давления | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №15 (149) апрель 2017 г.

Дата публикации: 10.04.2017

Статья просмотрена: 39 раз

Библиографическое описание:

Рахматов У. Р., Хушвахтов А. Ч. Управление и диагностика элементов интеллектуальных датчиков давления // Молодой ученый. — 2017. — №15. — С. 75-77. — URL https://moluch.ru/archive/149/40264/ (дата обращения: 18.07.2018).



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

  1. Высокая степень защиты от агрессивной
  1. среды
  2. Высокий предел рабочей температуры
  3. Налажено серийное производство
  4. 4. Низкая стоимость
  1. Неустранимая нестабильность
  1. градуировочной характеристики
  1. Высокие гистерезисные эффекты от
  1. давления и температуры
  1. Низкая устойчивость при
  1. воздействии ударных нагрузок и
  2. вибраций

Преобразователи на монокристаллическом кремнии

  1. Высокая стабильность характеристик
  2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям
  3. Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты
  4. Высокая точность
  5. Низкая цена
  6. Возможность измерять давление различных агрессивных средств
  1. Ограничение по температуре (до

150ºC)

Емкостной

  1. Высокая точность
  2. Высокая стабильность характеристик
  3. Возможность измерять низкий вакуум
  4. Простота конструкции
  5. Стойкость к перегрузкам
  1. Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления

Резонансный

  1. Высокая стабильность характеристик
  1. 2. Высокая точность измерения давления
  1. При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потере точности
  1. измерения
  1. Высокая цена
  2. Длительное время отклика
  1. Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал

Индукционный

  1. Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью
  2. Незначительное влияние температуры на точность измерения
  1. Сильное влияние магнитного поля
  2. Чувствительность к вибрациям и ударам

Ионизационный

  1. Возможность измерение высокого вакуума
  2. Высокая точность
  1. Стабильность выходных параметров
  1. Нельзя использовать подобные приборы при высоком давлении (низкий вакуум является порогом)
  2. Нелинейная зависимость выходного сигнала от приложенного давления
  3. Высокая хрупкость
  4. 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.
Основные термины (генерируются автоматически): высокая стабильность характеристик, высокая точность, электрический сигнал, градуировочная характеристика, высокая цена, приложенное давление, основная погрешность, чувствительный элемент, метод преобразования давления, монокристаллический кремний.


Похожие статьи

Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков...

Требования к характеристикам чувствительного элемента температуры, а также

Рисунок 2 – Модель измерительных сигналов датчика давления с линейной градуировочной характеристикой.

Основная погрешность таких датчиков не превышает величины 0,1 %.

Проблемы и пути развития систем автоматического...

Это объясняет высокие выходные характеристики прибора и высокую стабильность датчиков.

Преимущества использования подобных резонансных датчиков — стабильность характеристик и высокая точность.

Преимущества рубидиевых стандартов частоты | Статья в журнале...

Одним из основных элементов систем измерения частоты является опорный стандарт частоты.

Однако в реальных условия мы получаем частоту с некоторой погрешностью.

Малые габариты, низкая стоимость при сохранении высоких метрологических характеристик...

Разновидности погрешностей измерительных комплексов...

Таким образом, деление погрешностей на основную и дополнительные является чисто

Статические и динамические погрешности, присущие как средствам, так и методам

2013. № 4. С. 136–143. 13. Бростилов С. А. Волоконно-оптический датчик давления на основе...

Метод и устройство измерения чистоты рабочих поверхностей...

Сила сдвига (сила страгивания молекул), инициирующая начало движения средней пластины, обеспечивается пьезоприводом, на который подается электрический сигнал

Разработанное устройство также можно использовать для измерения давления в широком диапазоне.

Сравнительный анализ аппаратурных погрешностей...

Основными проблемами высокоточной радиовысотометрии являются: недостаточно высокая точность измерения, слабое

Сигнал с выхода ВЦ усиливается УРЧ до уровня, необходимого для работы СМ. СМ преобразует радиочастоту на частоту преобразования — 100 МГц и...

Погрешности при измерении биоимпеданса | Статья в журнале...

Библиографическое описание: Липатов А. И. Погрешности при измерении биоимпеданса

Измерительная цепь при использовании четырёхзондового метода представлена в виде

При упомянутых выше измерениях на частоте 50 кГц значения Zc1, Zc2 оказываются, как правило...

Проточно-инжекционные амперометрические системы...

...элементов, так что практически не существует возможность выделить основную стадию

Из таблицы 3 видно, что улучшенными метрологическими характеристиками обладают

Градуировочная зависимость сигнала амперометрического датчика с таким трубчатым...

Расчет нелинейностей аналого-цифрового преобразователя

Поэтому цифровая обработка сигналов применяется в таких различных областях, как

Такое преобразование содержит в себе погрешности, и тем она меньше, чем больше общая

Поэтому каждый АЦП обладает рядом характеристик, отражающих его общую точность.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков...

Требования к характеристикам чувствительного элемента температуры, а также

Рисунок 2 – Модель измерительных сигналов датчика давления с линейной градуировочной характеристикой.

Основная погрешность таких датчиков не превышает величины 0,1 %.

Проблемы и пути развития систем автоматического...

Это объясняет высокие выходные характеристики прибора и высокую стабильность датчиков.

Преимущества использования подобных резонансных датчиков — стабильность характеристик и высокая точность.

Преимущества рубидиевых стандартов частоты | Статья в журнале...

Одним из основных элементов систем измерения частоты является опорный стандарт частоты.

Однако в реальных условия мы получаем частоту с некоторой погрешностью.

Малые габариты, низкая стоимость при сохранении высоких метрологических характеристик...

Разновидности погрешностей измерительных комплексов...

Таким образом, деление погрешностей на основную и дополнительные является чисто

Статические и динамические погрешности, присущие как средствам, так и методам

2013. № 4. С. 136–143. 13. Бростилов С. А. Волоконно-оптический датчик давления на основе...

Метод и устройство измерения чистоты рабочих поверхностей...

Сила сдвига (сила страгивания молекул), инициирующая начало движения средней пластины, обеспечивается пьезоприводом, на который подается электрический сигнал

Разработанное устройство также можно использовать для измерения давления в широком диапазоне.

Сравнительный анализ аппаратурных погрешностей...

Основными проблемами высокоточной радиовысотометрии являются: недостаточно высокая точность измерения, слабое

Сигнал с выхода ВЦ усиливается УРЧ до уровня, необходимого для работы СМ. СМ преобразует радиочастоту на частоту преобразования — 100 МГц и...

Погрешности при измерении биоимпеданса | Статья в журнале...

Библиографическое описание: Липатов А. И. Погрешности при измерении биоимпеданса

Измерительная цепь при использовании четырёхзондового метода представлена в виде

При упомянутых выше измерениях на частоте 50 кГц значения Zc1, Zc2 оказываются, как правило...

Проточно-инжекционные амперометрические системы...

...элементов, так что практически не существует возможность выделить основную стадию

Из таблицы 3 видно, что улучшенными метрологическими характеристиками обладают

Градуировочная зависимость сигнала амперометрического датчика с таким трубчатым...

Расчет нелинейностей аналого-цифрового преобразователя

Поэтому цифровая обработка сигналов применяется в таких различных областях, как

Такое преобразование содержит в себе погрешности, и тем она меньше, чем больше общая

Поэтому каждый АЦП обладает рядом характеристик, отражающих его общую точность.

Задать вопрос