Е.Е.Бушев, Ю.А.Васьков,  Г.А.Емельянов, М.М.Пушкарев, В.М.Стучебников

(ПГ МИДА, 2009 год)

Датчики давления составляют важную часть систем контроля и учета энергоносителей (газа, нефти, горячей и холодной воды и т.д.), получающих все более широкое распространение. Вместе с тем, требования к датчикам давления в различных системах контроля различные, что необходимо учитывать при их разработке и производстве. Так, коммерческий учет энергоносителей (особенно газа и нефти) предъявляет постоянно возрастающие требования к точности систем и, как следствие, к входящим в их состав датчикам. Расширяющаяся сфера применения потребовала создания систем с автономными источниками питания и, следовательно, датчиков с низким напряжением питания и с минимальным энергопотреблением (см., например, [1]). С другой стороны, контроль и учет теплоносителей (прежде всего, в системах ЖКХ) на первое место выдвигает надежность и минимальную стоимость датчиков даже ценой снижения их точности.

На предприятиях Промышленной группы «Микроэлектронные датчики» за последнее время проведены определенные работы с датчиками давления на основе структур «кремний на сапфире» (КНС) в указанных направлениях: повышение точности и снижение энергопотребления, а также уменьшение трудоемкости и соответственно стоимости  датчиков.

Как хорошо известно, точность измерения давления тензорезисторными преобразователями (ТП) определяется нелинейностью, вариацией, стабильностью и влиянием внешних факторов, из которых главным является температура измеряемой и окружающей сред. При  этом если нелинейность и температурная зависимость выходного сигнала могут быть в значительной степени скорректированы средствами электроники, то вариация и нестабильность (повторяемость) преобразователей определяются исключительно их конструкцией и технологией изготовления. В литературе иногда высказывается мнение, что ТП давления на основе структур КНС принципиально имеют большую вариацию и нестабильность, обусловленные «неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика» [2]. Однако, основываясь на многолетнем опыте разработок таких ТП давления в ПГ МИДА, в последние годы было показано, что, подбирая титановые сплавы с нужными свойствами, оптимизируя топологию тензочувствительной схемы и проводя стабилизацию параметров ТП (в основном температурным и механическим циклированием), можно уверенно получать тензопреобразователи давления с суммарной вариацией и повторяемостью не более 0,01% от диапазона изменения выходного сигнала; при этом нелинейность преобразования не превышает 0,05% и может быть уменьшена обработкой выходного сигнала соответствующей электронной схемой. Такие ТП могут быть использованы также в калибраторах давления для полевого контроля рабочих средств измерения.

Что касается коррекции температурной погрешности преобразования датчиков давления, то в ПГ МИДА разработаны как пассивный (с использованием прецизионных резисторов, не зависящих от температуры), так и активный (с помощью цифровой обработки сигнала) методы. Первый из них позволяет получать датчики давления (МИДА-13П) с зоной температурной погрешности в диапазоне -40…+80 ^оС не более 1,5-2% (рис.1); при использовании второго метода зона температурной погрешности датчиков (МИДА-13ПВ и МИДА-ДИ-13ПК) уменьшается почти на порядок. Основная погрешность датчиков давления МИДА-13П составляет 0,1-0,2%; класс точности (0,15-0,5%) определяется в основном дополнительной температурной погрешностью.

Рис.1. Типичная температурная зависимость погрешности начального выходного сигнала (▲) и чувствительности (Δ) датчика давления МИДА-ДИ-13П.

В датчиках МИДА-13ПВ для снижения температурной погрешности используется аналоговая усилительная схема с цифровой коррекцией коэффициента усиления и начального смещения (начального выходного сигнала и чувствительности датчика). Для получения информации о температуре используется температурная зависимость сопротивления мостовой тензосхемы. Напряжение, пропорциональное сопротивлению моста, непрерывно измеряется и преобразуется в управляющий сигнал, корректирующий коэффициент усиления и начальное смещение усилителя таким образом, чтобы выходной сигнал датчика при всех значениях измеряемого давления минимально зависел от температуры. Калибровка корректирующей схемы производится при трех значениях температуры – минимальной, максимальной и средней рабочей, а корректирующие коэффициенты рассчитываются исходя из предположения параболической температурной зависимости выходного сигнала. Результат показан на рис.2. Видно, что зона погрешности как начального выходного сигнала, так и чувствительности датчика не превышает 0,2% в диапазоне температур -40…+80 ^оС, что позволяет выпускать датчики давления МИДА-13ПВ с суммарной погрешностью измерения 0,25-0,5%. Видно также, что при дальнейшем повышении точности измерения для аппроксимации температурных зависимостей следует использовать полином более высокой степени, что, впрочем, приведет к существенному повышению трудоемкости процесса калибровки датчиков. Важно отметить, что для компенсации температурной погрешности используется значение температуры самого чувствительного элемента, что исключает необходимость дополнительных датчиков температуры и позволяет располагать электронную схему на удалении от преобразователя.

Рис.2. Типичная температурная зависимость погрешности начального выходного сигнала (▲)и чувствительности (Δ)датчика давления МИДА-ДИ-13ПВ.

Разработка датчиков давления с минимальным энергопотреблением ведется по нескольким направлениям. Так, в рамках датчиков серии МИДА-13П разработан и выпускается датчик с минимальным напряжением питания 3,6 В и выходным сигналом 0,4-2,0 В. Уменьшение напряжения питания тензометрической мостовой схемы и применение микромощных активных компонентов в усилительном тракте позволило довести собственный ток потребления датчика до 2 мА. При этом сохранены такие свойства датчиков МИДА-13П, как максимальное напряжение питания 36 В, наличие защиты от переполюсовки питания и наличие регулировок "нуля" и "диапазона". Несмотря на существенно пониженное напряжение питания тензометрического моста, точностные характеристики датчика находятся в пределах, нормированных для серии датчиков МИДА-13П, что обеспечено применением в электронной схеме современных прецизионных элементов.

Другим датчиком с малым энергопотреблением стал аналог датчика МИДА-13ПВ с аналоговым усилительным трактом и цифровой коррекцией усиления и начального смещения с низковольтным питанием и выходным сигналом в виде напряжения постоянного тока. При напряжении питания 5 В датчик имеет выходной сигнал 0,5-4,5 В. Ток, потребляемый датчиком от источника питания, не более 3 мА. Дополнительное снижение энергопотребления возможно при периодической подаче питания на датчик. Сигнал на выходе датчика появляется не более чем через 70 мс после подачи питания. Как вариант, возможен логометрический метод измерения, когда выходной сигнал датчика изменяется пропорционально изменению напряжения питания. Такое решение позволяет отказаться от прецизионного источника опорного напряжения в системном аналого-цифровом преобразователе, используя в качестве опорного напряжения напряжение питания датчика или его часть, и тем самым повысить точность системы в целом. Опытные образцы таких датчиков с успехом опробованы в аппаратуре потенциального потребителя. Температурная погрешность и другие точностные характеристики энергосберегающего датчика аналогичны датчику МИДА-13ПВ.

В ПГ МИДА разработан также энергосберегающий датчик с цифровой обработкой сигнала ТП и с цифровым выходом. Достоинствами датчиков с цифровой обработкой являются высокая точность измерений, возможность дополнительной математической обработки сигнала, выдача информации в желаемых единицах измеряемого давления, а цифровой выход позволяет организовать работу датчика по запросу. Датчик питается от источника напряжения 2,7-3,6 В. После получения запроса происходит измерение давления, обработка данных и выдача информации. Ток потребления в режиме измерения не превышает 1,5 мА. После этого датчик переходит в состояние «сна» с током потребления не более 1 мкА до следующего запроса. Время, необходимое датчику на измерение давления и выдачу информации, не превышает 50 мс после приема запроса на измерение. При таком режиме работы датчик может продолжительное время работать от химического источника тока напряжением 3В. Датчик может работать в двухпроводной локальной сети; при использовании адаптера UART- RS485 возможно построение сети из 255 датчиков.  На рис.3 показаны температурные зависимости начального выходного сигнала и чувствительности энергосберегающего датчика давления с цифровым выходом.

Рис.3. Типичная температурная зависимость погрешности начального выходного сигнала (▲)и чувствительности (Δ)датчика давления с цифровым выходным сигналом.

Наконец, разработаны и освоены в серийном производстве датчики давления МИДА-ДИ-13П-М, предназначенные специально для применения в системах контроля расхода теплоносителей в ЖКХ. Датчики имеют ограниченный ряд верхних пределов (от 0,6 МПа до 2,5 МПа) и выходной сигнал 4-20 мА. Температура измеряемой воды может достигать 130 ^оС. Особенностью датчиков является сохранение точности измерений (0,5%) во всем рабочем интервале температур; при этом их стоимость снижена почти вдвое по сравнению с серийными датчиками МИДА-ДИ-13П при сохранении стандартных габаритных и присоединительных размеров.