Рассмотрены цифровые (RS-485 / Modbus) датчики давления на основе структур «кремний на сапфире». Показаны точностные возможности цифровых датчиков давления на основе КНС. Продемонстрирована возможность одновременного измерения давления и температуры с помощью цифрового датчика давления МИДА.
ООО «Мидаус», Ульяновск, Россия
Промышленная группа МИДА (Микроэлектронные датчики и устройства) разработала и выпускает микропроцессорные датчики давления МИДА‑15 с цифровыми интерфейсами обмена. Во всех датчиках используются тензопреобразователи (ТП) на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» (КНС), что обеспечивает высокую точность, стабильность и надежность приборов [1]. Коррекция температурной погрешности выполняется в электронном блоке датчика, при этом термочувствительным элементом является мостовая измерительная схема ТП, что позволяет снять вопрос о равенстве температуры преобразователя и термочувствительного элемента. Настройка и последующее считывание результатов измерений осуществляется посредством интерфейсов RS‑485. Для взаимодействия с датчиками используется протокол Modbus. Следует отметить высокое быстродействие таких датчиков, достигаемое за счет применения производительного микроконтроллера и высокоскоростного АЦП. Так, минимальное время измерения (с момента получения команды датчиком и до момента выдачи сообщения с результатом) для датчиков МИДА‑15 равно 25 мс. Максимальное время ответа зависит от таких настроек, как количество точек усреднения, использование аппаратного фильтра, интервал проведения измерений. Датчики МИДА‑15 могут измерять избыточное (ДИ), абсолютное (ДА), дифференциальное (ДД) давления, а также разрежение (ДВ) и избыточное давление-разрежение (ДИВ). Такие датчики имеют погрешности 0,15 % и 0,25 %, причем данная погрешность является суммарной в диапазоне температур –40 до +80 °С.
Рис. 1. Эталонный датчик давления МИДА‑15‑Э
В настоящее время в промышленной группе МИДА серийно производятся эталонные датчики давления МИДА‑15‑Э (рис. 1) с основной погрешностью не хуже 0,05 %, с цифровым выходным сигналом. Эталонные датчики обеспечивают суммарную погрешность <0,05 % в диапазоне температур от +10 до +40 °С.
Для изготовления датчиков класса 0,05 % и лучше модули давления специальным образом отбираются, а калибровка проводится на более прецизионном оборудовании (класс погрешности не хуже 0,015 %) в отличие от серийных общепромышленных датчиков МИДА‑15.
Типичные результаты испытаний эталонных датчиков приведены на рис. 2–4.
Рис. 2. Основная приведенная к диапазону измерения (слева) и относительная к измеряемой величине (справа) погрешность датчика абсолютного давления МИДА-ДА‑15‑Э‑0,05/100 кПа
Рис. 3. Основная приведенная (слева) и относительная (справа) погрешность датчика избыточного давления МИДА-ДИ‑15‑Э‑0,05/100 МПа
Рис. 4. Основная приведённая погрешность датчика разрежения МИДА-ДВ‑15‑Э‑0,05/-100 кПа
Как видно из рис. 2 и 3, реальная погрешность датчиков может составлять вплоть до 0,01 % относительной погрешности к измеряемой величине (ИВ). Добиться таких результатов, помимо оптимизации конструкции и технологических процессов при производстве первичных тензопреобразователей для данных датчиков, помог переход на АЦП большей разрядности (24 бит вместо 16 бит). Такие характеристики позволяют использовать эти датчики в качестве эталона первого разряда при калибровке и поверке датчиков избыточного давления в производственном процессе, заменяя обычно используемые грузопоршневые манометры и измерительные преобразователи ИПД. Непосредственная связь этих датчиков с автоматизированным рабочим местом испытателя уменьшает влияние человеческого фактора на задание давления и повышает точность калибровки датчиков. Опытная эксплуатация эталонных датчиков в производстве ПГ МИДА показала хорошие результаты. Датчики МИДА‑15‑Э также могут применяться в качестве цифровых манометров при подключении к компьютеру с операционной системой Windows или смартфону с операционной системой Android через адаптер USB. Управление работой датчика и регистрация показаний производится с помощью ПО MIDA [2]. Датчики могут быть аттестованы как эталоны 1‑го или 2‑го разряда.
Таблица 1. Основные характеристики эталонных датчиков давления МИДА‑15‑Э
Также ПГ МИДА производит цифровые датчики давления и температуры расплава полимеров МИДА-12‑ДИТ (рис. 5). Термочувствительным элементом является мостовая измерительная схема ТП, то есть и давление и температуру измеряет один чувствительный элемент. Значения измеряемых параметров могут выводиться одновременно на компьютер (рис. 6).
Рис 5. Датчик давления и температуры расплава МИДА‑12‑ДИТ
Рис 6. Интерфейс программы MIDA15Tool с функцией одновременной индикации давления и температуры
Сравнение полученных значений температуры с данными прецизионного терморезистора показывает, что с помощью датчика МИДА‑12‑ДИТ температура среды измеряется с погрешностью не более ±0,5 °С в интервале температур от 20 до 250 °С. Результаты сравнительных испытаний показывают, что датчики давления расплава могут успешно конкурировать с лучшими мировыми разработками в области измерения давления расплавов полимеров [3].
Рис 7. Погрешность измерения температуры датчиком МИДА‑12‑ДИТ
Литература
1. Стучебников В. М. Структуры «Кремний на сапфире» как материал для тензопреобразователей механических величин // Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50. № 6.2. Программное обеспечение // ООО «Мидаус» [сайт]. URL: http://www.midaus.com/dokumentatsiya/programmnoe-obespechenie-dlya-priborov-mida.html (дата обращения: 09.12.2019).
3. Преимущества датчиков давления расплава МИДА // ООО «Мидаус» [сайт]. URL: http://www.midaus.com/dokumentatsiya/publikatsii/preobrazovateli-i-datchiki-pg-mida/49-preimushchest... (дата обращения: 09.12.2019).
Опубликовано в журнале ИСУП № 6(84)_2019
Ю. А. Васьков, ведущий инженер,
Е. Г. Савченко, и.о. начальника исследовательской лаборатории,
В. М. Стучебников, д. т. н., профессор, президент ПГ МИДА,
ООО «Мидаус», Ульяновск,
тел.: 8 (800) 200-0304,
e‑mail: info@midaus.com, sales@midaus.com,
сайт: midaus.com
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
