Новые технологии и приборы для измерения давления и температуры жидких и газовых сред

Компанией «Теплоприбор» опробована новая система измерения давления и температуры, основанная на применении спектральных чувствительных элементов и спектрометра. По точности измерения и надежности эти чувствительные элементы значительно превосходят зарубежные приборы на электронных компонентах.

ОАО «Теплоприбор», г. Рязань

В самых разных сферах производства во время технологического процесса требуется контролировать давление и температуру. Можно сказать, что замеры давления и температуры проводятся чаще всех других видов измерения. Соответственно датчики давления – чрезвычайно востребованное и массово распространенное устройство.

На современном рынке приборной техники представлено множество датчиков давления и температуры для применения во всех без исключения отраслях промышленности, а также в непромышленной сфере. Их разрабатывают и производят десятки отечественных компаний и сотни компаний по всему миру.

Однако все датчики давления обладают рядом общих принципиальных конструктивных решений, которые делают практически нецелесообразным их дальнейшее техническое совершенствование из-за чрезмерно высокой стоимости улучшения характеристик, даже при том, что эти улучшения относительно невелики.

Перечислим главные конструктивные решения, общие для всех датчиков давления:

- электропитание датчика осуществляется в точке измерения давления;

- подразумевается электромагнитная совместимость (помехоустойчивость) датчика, при этом абсолютной независимости от электромагнитных помех достичь невозможно из-за самой природы электронной «начинки» прибора;

- обеспечение взрыво‑ и пожаробезопасности. В то же время, как и в случае с электромагнитной совместимостью, электронные устройства и электрические соединения по самой своей природе не могут быть полностью взрыво‑ и пожаробезопасны;

- при приложении давления к физическому телу чувствительные элементы в датчиках преобразуют величину его деформации или перемены его положения в пространстве в электрический сигнал, изменив промежуточные электрические параметры – сопротивление постоянному или переменному току, частоту переменного электрического тока, электрическую емкость, величину магнитного поля и др. Однако обнаружить и измерить с приемлемой точностью микромощные электрические сигналы очень сложно из-за электрических шумов – неотъемлемого свойства электронной элементной базы. Поэтому разработчики вынуждены прибегать к делению всего измеряемого диапазона давлений на поддиапазоны – так удается согласовать прочностные характеристики чувствительных элементов и генерируемые чувствительными элементами электрические сигналы надежно обнаруживаемого уровня. Этим обстоятельством обу­словлен ряд отрицательных факторов: увеличение номенклатуры приборов, отсутствие универсальности их применения, усложнение алгоритмов обработки сигналов, увеличение количества настраивае­мых и переключаемых режимов и параметров и проч. – что не может не сказаться на сложности, стоимости и надежности датчиков;

- неабсолютная стабильность источников электропитания, характеристик электронных компонентов и чувствительных элементов и во времени и при изменении температурных режимов приводит к смещению нуля прибора, устанавливаемого при его калибровке. Поэтому разработчики вынуждены принимать специальные меры, направленные на обеспечение долговременной стабильности нуля, а кроме того, вводить в конструкцию приборов устройства, дающие возможность корректировать ноль в процессе эксплуатации.

Следует отметить и специфические условия, в которых работают российские компании-производители. Изготавливать датчики давления им приходится при отсутствии в России современной элементной базы, полном отсутствии элементной базы, специализированной под обработку сигналов чувствительных элементов датчиков давления, и, конечно, самих высокотехнологичных чувствительных элементов.

Поэтому датчики, выпущенные отечественными компаниями, в основном представляют собой повторение (только не очень качественное) приборов предыдущих поколений, созданных компаниями – мировыми лидерами, причем опять же на устаревшей импортной элементной базе производств, расположенных в КНР, на Тайване, в Малайзии и т. д. Наиболее «продвинутые» компании используют приборные корпуса производства Малайзии, КНР и Таиланда, электронные блоки из КНР и Малайзии, а чувствительные элементы из КНР, Швейцарии, Японии.

Лишь очень немногие компании РФ изготавливают собственные электронные блоки и чувствительные элементы, но они функционально и по метрологическим характеристикам значительно уступают даже не лучшим разработкам мирового класса, а среднему мировому уровню.

Примерно та же картина наблюдается и в производстве датчиков температуры, расхода жидких и газовых сред, уровня жидких и сыпучих сред и др.

Вступление России в ВТО может только усугубить положение российских компаний-производителей датчиков и отбросить их за грань выживания, на которой они сейчас балансируют.

Однако ситуация вовсе не безнадежна, выход есть – назревший, объективно необходимый и реалистичный. Это производство датчиков давления и температуры, построенных на основе новых технологий получения и обработки информации об измеряемых значениях параметров. Одной из таких технологий является спектральное кодирование оптического излучения с помощью интерферометра Фабри – Перо.

В течение 2011–2012 годов ОАО «Теплоприбор», опираясь на теоретические разработки и результаты практических исследований Института общей физики РАН, совместно с учеными испытало систему измерения давления и температуры с применением спектральных первичных измерительных преобразователей (чувствительных элементов) и спектрометра.

Чувствительный элемент представляет собой миниатюрный интерферометр Фабри – Перо, который связан оптоволоконным кабелем со спектрометром. Давление среды, прикладываемое к чувствительному элементу – жесткой мембране, вызывает модуляцию широкополос­ного оптического спектра. Сигнал спектрометра обрабатывается конт­роллером, в результате рассчитывается величина давления, вызвавшая деформацию чувствительного элемента – жесткой мембраны.

Схема этой системы измерения приведена на рис. 1.

Результаты проведенных испытаний позволили установить, что можно не только создать, но и серийно выпускать чувствительные элементы на основе интерферомет­ра и спектрометра с соответствующим программным обеспечением – даже при современном состоянии элементной и технологической базы приборных производств.

По метрологическим характеристикам эти элементы на порядок и более превосходят приборы мирового уровня на традиционных электронных компонентах.

Разрешающая способность (абсолютная погрешность) системы измерения деформации мембраны ΔW первичного измерительного пре­образователя, достигнутая на действующем образце, составила 0,1 нм.

Относительная точность измерения давления γ, приведенная к верхнему пределу измерения, составила 0,0013 %.

Предельная погрешность измерения ΔW, достижимая при применении двухканального первичного преобразователя, обеспечивающего одновременное измерение температуры, в том числе для целей термокомпенсации, составляет 0,05 нм, что обеспечивает предельную относительную точность измерения давления γ = 0,00063 %.

На рис. 2 приведена схема системы измерения с двухканальными первичными преобразователями давления и температуры.

Рис. 2. Схема системы измерения 

с двухканальными первичными преобразователями давления и температуры

Чтобы повысить надежность системы измерения, можно применить схему с дублированием спектрометра, хотя по своей надежности он значительно превосходит электронные блоки, обрабатывающие электрические сигналы, так как в конструкции спектрометра используется всего один электронный компонент – ПЗС-линейка.

Преимущества описываемой сис­темы измерения давления и температуры по сравнению с традиционными электронными датчиками очевидны, однако имеет смысл сформулировать их еще раз.

Первичные измерительные преобразователи, размещаемые в точках измерения параметров среды, не требуют электропитания. Сигнал с них может быть передан в спектрометр, удаленный на расстояние до 600 м, по одномодовому оптоволоконному кабелю.

По своей природе оптоволоконный чувствительный элемент и каналы связи абсолютно устойчивы к любым электромагнитным помехам, полностью взрыво‑ и пожаробезопасны.

Экстремальная чувствительность самого метода спектрального кодирования информации с применением интерферометра Фабри – Перо позволяет применять один чувствительный элемент с достаточно прочной безгистерезисной мембраной на все диапазоны давления, существующие в технологических процессах. При этом основная относительная погрешность измерения гарантированно не превысит 0,01 % от ВПИ в диапазоне давлений от 0,5 kPa до 42,0 MPa.

Практически отпадает необходимость в датчиках дифференциального давления. Достаточно применить два сблокированных первичных измерительных преобразователя избыточного давления, чтобы достичь высокой степени их унификации и взаимозаменяемости.

Сам метод спектрального кодирования информации обуславливает независимость параметров чувствительного элемента от характеристик широкополосного источника оптического излучения, от их изменения во времени и под влиянием температур, что обеспечивает стабильность нуля в течение всего срока службы источника широкополосного излучения (а, например, у белого свето­диода этот срок – 10–12 лет).

Следует отметить, что в системе интерферометр – спектрометр первичным источником информации о давлении служит измеряемая длина базы интерферометра Фабри – Перо, которая изменяется в связи с деформацией чувствительного элемента – жесткой мембраны, поэтому получаемое при каждом измерении абсолютное значение длины базы делает первичный преобразователь независимым от воздействия факторов, «сдвигающих» ноль. Проблема стабильности нуля решается автоматически и полностью.

Отдельно коснемся вопроса стоимости. Первичные пре­образователи довольно дешевы, чего не скажешь о спектрометре со встроенным контроллером – это относительно дорогое устройство. Однако в среднем получается, что удельная стоимость одной точки измерения будет близка к стоимости датчиков дифференциального давления, которые в настоящее время широко представлены на приборном рынке.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(40)_2012

И. В. Клюев, главный инженер,

ОАО «Теплоприбор», г. Рязань,

тел.: 8 (4912)24-89-24,

e‑mail: teplopr@teplopribor.ru,

www.teplopribor.ru