Основная погрешность при измерениях давления высокотемпературных сред связана с температурными зависимостями параметров датчиков. В тензорезисторных датчиках давления высокотемпературных сред МИДА-12П чувствительный элемент датчика, изготовленный из структуры КНС, находится при температуре, близкой к температуре измеряемой среды (20-350 °С). Если калибровку датчика проводить при рабочей температуре окружающей среды, а температурную погрешность тензопреобразователя (ТП) корректировать температуронезависимыми резисторами, то основная погрешность то основная погрешность такого датчика находится в пределах 0,2-0,5 %, а зона дополнительной температурной погрешности в 100-градусном интервале температур вокруг рабочей температуры составляет примерно 3%.

Существенное снижение температурной погрешности датчика давления достигается при использовании дополнительной коррекции температурной зависимости выходного сигнала с помощью микропроцессора; в датчиках МИДА-13П-К суммарная погрешность измерения давления в диапазоне температур от -40 до +80 °С не превышает 0,25 – 0,5 %.

В настоящей работе приводятся результаты исследования возможности коррекции дополнительной температурной погрешности датчиков давления высокотемпературных сред МИДА-ДИ-12П во всем рабочем интервале температур с помощью цифровой обработки сигнала в сравнении с результатами коррекции температурной погрешности температуронезависимыми резисторами. Как и в датчиках МИДА-ДИ-13К, температура чувствительного элемента определялась по сопротивлению тензорезисторного моста.

Компенсация температурной погрешности датчика температуронезависимыми резисторами

Использование температуронезависимых резисторов для компенсации аддитивной составляющая (температурный дрейф начального сигнала) и мультипликативной составляющей (температурный дрейф чувствительности) давно и успешно используется в приборах выпускаемых Промышленной группой МИДА.

Достоинствами этого метода являются: а) относительная простота расчета  компенсационных резисторов, б) высокая эффективность температурной компенсации в любом 100-120 °С диапазоне температур позволяющая получить датчики с зоной температурной погрешности до 3%, что соответствует классам точности 0,2-0,5 %. Типичный результат температурной компенсации начального выходного сигнала представлен на (рис.1а); видно, что аддитивная составляющая температурной погрешности уменьшается не менее чем в 13 раз и ее статистическая величина составляет 2,5 % в полном диапазоне температур 20…300 °С, а в диапазоне температур 100…200 °С температурная погрешность начального сигнала уменьшается в 25 раз и ее статистическая величина составляет 0,45 %. Типичный результат температурной компенсации чувствительности  представлен на (рис.1б); видно, что мультипликативная составляющая температурной погрешности уменьшается не менее чем в 8 раз и ее статистическая величина составляет 2,2 % в полном диапазоне температур 20…300 °С, а в диапазоне температур 100…200 °С температурная погрешность чувствительности уменьшается в 16 раз и ее статистическая величина составляет 0,25%.

Рис 1. Эффективность температурной компенсации дрейфа начального сигнала (а) и чувствительности (б)  термонезависимыми резисторами.

 Погрешность некомпенсированного ТП

Погрешность ТП  компенсированного термонезависимыми резисторами

Неудобством такого подхода является необходимость: а) при заказе указывать точное значение диапазона рабочей температуры и б) при поверке на комнатной температуре устанавливать начальное и максимальные значения выходного сигнала, указанные в паспорте индивидуально для каждого датчика.

Коррекции температурной погрешности датчиков с помощью цифровой обработки сигнала

Использование цифровой обработки сигнала, для коррекции температурной погрешности датчиков, лишена  недостатков, присущих методу компенсации только термонезависимыми резисторами. Результат использования цифровой обработки выходного сигнала представлен на Рис. 2а. (зона температурной погрешности начального сигнала) и Рис. 2б. (зона температурной погрешности чувствительности). 

Рис. 2.  Эффективность температурной компенсации дрейфа начального сигнала (а) и чувствительности ( б) с использованием цифровой обработки

Цифровая обработка выходного сигнала с предварительной температурной компенсацией  термонезависимыми резисторами

Цифровая обработка выходного сигнала без предварительной температурной компенсации  термонезависимыми резисторами

При этом из Рис.2а. видно, что для достижения лучшей точности желательно использовать предварительную компенсацию начального сигнала термонезависимыми резисторами. В случае температурной компенсации чувствительности выходного сигнала (Рис.2б.) использование предварительной компенсации термонезависимыми резисторами желательно, но необязательно, так как результат примерно одинаков.

Как показывает эксперимент, микропроцессорная обработка выходного сигнала позволяет снизить зону температурной погрешности начального сигнала в худшем случае более чем в 7 раз,  а зону температурной погрешности чувствительности в 3 раза при температурной компенсации в полном рабочем диапазоне температур 20…300 °С.

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования показали, что исходные температурные зависимости начального выходного сигнала полном рабочем диапазоне температур достаточно точно аппроксимируются лишь полиномами высокой степени, что делает необходимым проводить измерение характеристик датчика при калибровке в большом количестве температурных точек. Кроме того, в силу значительной температурной зависимости начального выходного сигнала ТП, точность аппроксимации оказывается невысокой. Однако при использовании пассивной коррекции начального сигнала ТП с помощью температуронезависимых резисторов результирующая температурная зависимость оказывается достаточно близкой к параболической. Поэтому  для дополнительной коррекции температурной зависимости датчика микропроцессором оказывается достаточным проведение измерений параметров датчика в трех точках полного рабочего диапазона температур.  В результате суммарная погрешность измерения давления датчиком МИДА-ДИ-12П-К рабочем диапазоне температур 20-300 °С не превышает 0,5 % от диапазона измерения, что позволяет, кроме всего, проводить поверку датчиков при комнатной температуре обычным образом.