Рубрика: Датчики давления

Поскольку температура влияет на точность измерения датчика давления, всегда остается небольшая температурная погрешность в номинальном диапазоне температур, несмотря на широкий диапазон компенсационных мер. Эта ошибка часто выражается в технических паспортах производителей датчиков давления как температурный коэффициент (сокр. TC). Этот коэффициент описывает линейную погрешность, начиная с контрольной точки, которой в большинстве случаев являются нормальные условия, т.е. комнатная температура.

Соответственно, температурная погрешность при комнатной температуре равна нулю и линейно возрастает с увеличением отличия температуры от комнатной с заданным коэффициентом (см. рисунок). 

В принципе, не только температурный коэффициент нулевой точки (сокр. TC ₀ ), но и коэффициент диапазона (TC _C ) необходимо учитывать отдельно. Ошибка нулевой точки описывает влияние температуры на нулевой сигнал. Погрешность диапазона определяет влияние температуры на значение полной шкалы. Отдельные температурные коэффициенты нулевой точки и диапазона обычно указываются как величины, что означает, что они могут быть как положительными, так и отрицательными.

Если в отдельном приборе погрешность нулевой точки имеет тот же знак, что и погрешность диапазона, эти две температурные погрешности могут суммироваться в худшем случае.

Типичное значение среднего температурного коэффициента нулевой точки датчика давления составляет: 0,2 % на каждые 10 K (°С).

Хотя выбор принципа измерения датчика или принципа действия датчика давления не имеет значения для большинства применений, нас очень часто спрашивают, как работают датчики, которые мы используем в наших датчиках давления и преобразователях давления.

Прежде всего, общее определение: датчики давления или сенсорные элементы давления представляют собой измерительные элементы, которые преобразуют физическую измеряемую величину давления в пропорциональную давлению электрическую величину. Используются различные физические эффекты и различные материалы датчиков, такие как кремний, керамика или металл.

Сейчас используются три наиболее распространенных принципа измерения давления из промышленных измерительных технологий, которые разрабатываются в лабораториях разработки, а также применяются на производствах:

• Тонкопленочные
  датчики основаны на том же принципе, что и тензометрические датчики, т.е. резисторные структуры, расположенные в виде меандра, геометрическое расширение или сжатие которых приводит к измеримому изменению сопротивления за счет результирующего изменения длины и толщины. В тонкопленочных датчиках четыре резистора обычно располагаются на мембране в виде моста Уитстона и таким образом регистрируют деформацию мембраны под давлением. В так называемом тонкопленочном процессе эти тензорезисторы наносятся на (например, металлическое) основное тело и структурируются (так называемое напыление с последующей фотолитографией и травлением).
• По аналогии с тонкопленочными датчиками, толстопленочные датчики
  также обычно используют четыре резистора, соединенных вместе, образуя мост Уитстона. Структуры сопротивления «печатаются» в несколько слоев с использованием толстопленочной технологии на основном теле (например, керамическом), а затем обжигаются при высокой температуре. Здесь также изменение сопротивления происходит в результате изменения геометрии в результате деформации мембраны, в основе которой лежит расширение и сжатие.
• В отличие от первых двух принципов пьезорезистивные датчики давления
  имеют измерительную диафрагму на основе полупроводников (кремния) с целенаправленно рассеянными структурами. В них используется так называемый пьезорезистивный эффект, описывающий изменение электрического сопротивления в полупроводниковых материалах вследствие расширения или сжатия с изменением подвижности электронов при механическом воздействии.

Из-за различных материалов и принципов конструкции в настоящее время существуют некоторые технологические различия, которые также могут иметь значение для некоторых применений. В современных измерительный системах используется принцип измерения с учетом характера соответствующего применения.

Что такое и как на самом деле работает активная и пассивная температурная компенсация датчиков давления? Датчики давления высокого качества, особенно в прецизионном диапазоне, почти всегда снабжены индивидуальной температурной компенсацией. Но в чем разница между активной и пассивной компенсацией этих температурных погрешностей?

Пассивная температурная компенсация

В процессе производства части характеристической кривой датчика давления измеряются при различных температурах. Ранее определенные температурные погрешности затем компенсируются пассивными элементами (резисторами) в электронике датчика или коррекцией сопротивления непосредственно на самом элементе датчика (например, с помощью лазерной подгонки). Поскольку используемые для этого (пассивные) резистивные элементы имеют почти линейную температурную зависимость, их можно использовать только для компенсации погрешностей первого порядка. Практически невозможно компенсировать температурные погрешности высших порядков, т.е. сильное искривление характеристической кривой при изменении температуры.

Активная температурная компенсация

Здесь также измеряется характеристическая кривая датчиков давления при различных температурах в процессе производства. Однако в датчик давления встроен датчик температуры, который постоянно измеряет температуру и передает ее на обработку сигналов датчика давления. На практике в настоящее время хорошо зарекомендовали себя два метода активной температурной компенсации: первый компенсирует с помощью так называемых «точек интерполяции», т.е. индивидуальных значений коррекции, между которыми затем осуществляется интерполяция, второй сохраняет в электронике датчика значение, полученное путем регрессии из записанных измеренных значений. Уравнение высшего порядка для постоянной компенсации ожидаемой ошибки.

Затем во время работы можно с помощью данных обработки этого сигнала в датчике давления независимо компенсировать температурную погрешность в определенном диапазоне температур (например, 10 … 60 °C) с использованием определенных поправочных коэффициентов, т.е. «активно».

Наиболее распространенным способом минимизации температурных погрешностей в датчиках давления является пассивная температурная компенсация. Это традиционный метод, который также широко используется. Однако вершиной возможностей компенсации является активная температурная компенсация. В последние производители продолжают улучшать и совершенствовать эту технологию.

Таким образом, у датчиков давления с активной компенсацией температурная погрешность практически равна нулю в указанном рабочем диапазоне температур.

В технике промышленной автоматизации и с датчиками давления токовый сигнал 4..20 мА является наиболее часто используемым сигналом для аналоговой передачи измеренных значений. Огромное распространение этого сигнала заключается в простоте использования и, прежде всего, в невосприимчивости к помехам.

Сигнал тока имеет более высокую устойчивость к электромагнитным помехам, чем сигнал напряжения, поскольку электромагнитные помехи подаются в сигнальную линию в виде сигналов напряжения и вызывают лишь очень небольшие изменения тока на нагрузке приемника.

Сигнал 4..20 мА очень широко используется для передачи значений датчиков, таких как температура и давление. Например, измеряемый в производственном процессе сигнал давления от преобразователя давления 0..10 бар преобразуется электроникой датчика в сигнал 4..20 мА . В качестве двухпроводного сигнала 4 … 20 мА. Сейчас двухпроводная версия предпочтительнее трехпроводной из-за экономии на кабелях и более простой сигнализации ошибок. На обрыв линии здесь указывает значение тока ниже 3,8 мА, не короткое замыкание (согласно стандарту NAMUR NE43) превышение значения тока в 20,5 мА. Преобразователи 4..20 мА в трехпроводном исполнении используется только для устройств с высокими требованиями к вспомогательному питанию.

Нас часто спрашивают о поведении датчика давления за пределами указанного диапазона измерения, то есть в области перегрузки, и что произойдет, если предел перегрузки датчика давления будет превышен.

Давление за пределами верхней границы диапазона измерения не приведет к необратимому повреждению датчика; однако размер погрешности измерения, указанный в техпаспорте, может быть превышен. Только значения давления выше предельного давления, еще называемого давлением разрыва, могут привести к необратимому повреждению измерительного прибора. Не имеет значения, присутствует ли это давление постоянно или только в течение короткого периода времени. После превышения предельно допустимого давления можно ожидать разрушения частей прибора, подвергшихся давлению, и внезапного выброса среды под давлением. Поэтому таких условий эксплуатации всегда следует избегать путем тщательного проектирования.

Безопасность по избыточному давлению и давление разрыва указаны во всех технических паспортах для датчиков давления.

Принцип действия резистивного преобразователя давления очень прост. Датчик давления преобразует значение механического давления в пропорциональный электрический сигнал. Датчик давления обычно состоит из стабильного основного корпуса и тонкой диафрагмы. Мембрана является наиболее важным элементом для измерения давления и оснащена датчиками, чувствительными к деформации и сжатию, так называемыми тензорезисторами. Диафрагма прогибается под действием давления.

Таким образом, прикрепленные к нему тензорезисторы растягиваются или сжимаются, и их электрическое сопротивление изменяется. Это изменение сопротивления прямо пропорционально давлению. Если резисторы подключить к измерительному мосту Уитстона, результирующий электрический сигнал может быть измерен и передан на индикатор.

Производители датчиков давления используют множество различных терминов для различных конструкций измерительных приборов, таких как датчик давления, преобразователь давления и т. д.

Термин «преобразователь давления» обычно используется для обозначения датчика давления, оснащенного стандартными электрическими и механическими интерфейсами и стандартизированным выходным сигналом.

Принцип работы преобразователя давления заключается в следующем: Давление измеряемой среды направляется через стандартное технологическое соединение, таким образом воздействуя на внутренний элемент датчика давления. Внутренняя электроника преобразует необработанный сигнал датчика в отфильтрованный, усиленный, температурно-компенсированный и стандартизированный сигнал, такой как сигнал 4…20 мА. Этот выходной сигнал передается через стандартный разъем или кабель на последующий блок для обработки сигнала.