Е.Е.Бушев, Ю.А.Васьков, Г.А.Емельянов, М.М.Пушкарев, В.М.Стучебніков
(ПГ МЗС, 2009 рік)
датчики тиску складають важливу частину систем контролю та обліку енергоносіїв (газу, нафти, гарячої та холодної води і т.д.), які отримують все більш широке поширення. Разом з тим, вимоги до датчиків тиску в різних системах контролю різні, що необхідно враховувати при їх розробці і виробництві. Так, комерційний облік енергоносіїв (особливо газу і нафти) пред'являє постійно зростаючі вимоги до точності систем і, як наслідок, до входять до їх складу датчикам. Розширюється сфера застосування зажадала створення систем з автономними джерелами живлення і, отже, датчиків з низькою напругою живлення і з мінімальним енергоспоживанням (див., Наприклад, [1]). З іншого боку, контроль і облік теплоносіїв (перш за все, в системах ЖКГ) на перше місце висуває надійність і мінімальну вартість датчиків навіть ціною зниження їх точності.
Як добре відомо, точність вимірювання тиску тензорезисторні перетворювачами (ТП) визначається нелінійністю, варіацією, стабільністю і впливом зовнішніх чинників, з яких головним є температура вимірюваної і навколишнього середовищ. При цьому якщо нелінійність і температурна залежність вихідного сигналу можуть бути в значній мірі скориговані засобами електроніки, то варіація і нестабільність (повторюваність) перетворювачів визначаються виключно їх конструкцією і технологією виготовлення. У літературі іноді висловлюється думка, що ТП тиску на основі структур КНС принципово мають велику варіацію і нестабільність, обумовлені «неоднорідністю конструкції і жорстким зв'язком мембрани з конструктивними елементами датчика» [2]. Однак, грунтуючись на багаторічному досвіді розробок таких ТП тиску в ПГ МЗС, в останні роки було показано, що, підбираючи титанові сплави з потрібними властивостями, оптимізуючи топологію тензочувствітельності схеми і проводячи стабілізацію параметрів ТП (в основному температурним і механічним циклированием), можна впевнено отримувати тензопреобразователь тиску з сумарною варіацією і повторюваністю не більше 0,01% від діапазону зміни вихідного сигналу; при цьому нелінійність перетворення не перевищує 0,05% і може бути зменшена обробкою вихідного сигналу відповідної електронної схемою. Такі ТП можуть бути використані також в калібратори тиску для польового контролю робочих засобів вимірювання.
Що стосується корекції температурної похибки перетворення датчиків тиску, то в ПГ МЗС розроблені як пасивний (з використанням прецизійних резисторів, що не залежать від температури), так і активний (за допомогою цифрової обробки сигналу) методи. Перший з них дозволяє отримувати датчики тиску (МЗС-13П) із зоною температурної похибки в діапазоні -40 ... + 80 оС не більше 1,5-2% (рис.1); при використанні другого методу зона температурної похибки датчиків (МЗС-13ПВ і МЗС-ДІ-13ПК) зменшується майже на порядок. Основна похибка датчиків тиску МИДА-13П становить 0,1-0,2%; клас точності (0,15-0,5%) визначається в основному додаткової температурної похибкою.
Рис.1. Типова температурна залежність похибки початкового вихідного сигналу (▲) і чутливості (Δ) датчика тиску МИДА-ДІ-13П.
У датчиках МИДА-13ПВ для зниження температурної похибки використовується аналогова підсилювальна схема з цифровою корекцією коефіцієнта посилення і початкового зсуву (початкового вихідного сигналу і чутливості датчика). Для отримання інформації про температуру використовується температурна залежність опору бруківці тензосхеми. Напруга, пропорційне опору моста, безперервно вимірюється і перетворюється в керуючий сигнал, коригуючий коефіцієнт посилення і початковий зсув підсилювача таким чином, щоб вихідний сигнал датчика при всіх значеннях вимірюваного тиску мінімально залежав від температури. Калібрування коректує схеми проводиться при трьох значеннях температури - мінімальної, максимальної і середньої робочої, а коригувальні коефіцієнти розраховуються виходячи з припущення параболічної температурної залежності вихідного сигналу. Результат показаний на рис.2. Видно, що зона похибки як початкового вихідного сигналу, так і чутливості датчика не перевищує 0,2% в діапазоні температур -40 ... + 80 оС, що дозволяє випускати датчики тиску МИДА-13ПВ з сумарною похибкою вимірювання 0,25-0,5% . Видно також, що при подальшому підвищенні точності вимірювання для апроксимації температурних залежностей слід використовувати поліном більш високого ступеня, що, втім, призведе до суттєвого підвищення трудомісткості процесу калібрування датчиків. Важливо відзначити, що для компенсації температурної похибки використовується значення температури самого чутливого елемента, що виключає необхідність додаткових датчиків температури і дозволяє розташовувати електронну схему на видаленні від перетворювача.
Рис.2. Типова температурна залежність похибки початкового вихідного сигналу (▲) і чутливості (Δ) датчика тиску МИДА-ДІ-13ПВ.
Розробка датчиків тиску з мінімальним енергоспоживанням ведеться за кількома напрямками. Так, в рамках датчиків серії МЗС-13П розроблений і випускається датчик з мінімальним напругою живлення 3,6 В і вихідним сигналом 0,4-2,0 В. Зменшення напруги харчування тензометричної мостової схеми і застосування Мікропотужні активних компонентів в усилительном тракті дозволило довести власний струм споживання датчика до 2 мА. При цьому збережені такі властивості датчиків МЗС-13П, як максимальна напруга живлення 36 В, наявність захисту від переполюсовкі харчування і наявність регулювань "нуля" і "діапазону". Незважаючи на суттєво знижена напруга живлення тензометрического моста, точності характеристики датчика знаходяться в межах, нормованих для серії датчиків МЗС-13П, що забезпечено застосуванням в електронній схемі сучасних прецизійних елементів.
Іншим датчиком з малим енергоспоживанням став аналог датчика МЗС-13ПВ з аналоговим підсилювальним трактом і цифровий корекцією посилення і початкового зсуву з низьковольтних харчуванням і вихідним сигналом у вигляді напруги постійного струму. При напрузі живлення 5 В датчик має вихідний сигнал 0,5-4,5 В. Струм, споживаний датчиком від джерела живлення, не більше 3 мА. Додаткове зниження енергоспоживання можливо при періодичної подачі живлення на датчик. Сигнал на виході датчика з'являється не більше ніж через 70 мс після подачі живлення. Як варіант, можливий логометріческій метод вимірювання, коли вихідний сигнал датчика змінюється пропорційно зміні напруги живлення. Таке рішення дозволяє відмовитися від прецизійного джерела опорного напруги в системному аналого-цифровому перетворювачі, використовуючи в якості опорного напруги напруга живлення датчика або його частина, і тим самим підвищити точність системи в цілому. Дослідні зразки таких датчиків з успіхом випробувані в апаратурі потенційного споживача. Температурна похибка та інші точності характеристики енергозберігаючого датчика аналогічні датчику МЗС-13ПВ.
В ПГ МЗС розроблений також енергозберігаючий датчик з цифровою обробкою сигналу ТП і з цифровим виходом. Перевагами датчиків з цифровою обробкою є висока точність вимірювань, можливість додаткової математичної обробки сигналу, видача інформації в бажаних одиницях вимірюваного тиску, а цифровий вихід дозволяє організувати роботу датчика за запитом. Датчик живиться від джерела напруги 2,7-3,6 В. Після отримання запиту відбувається вимірювання тиску, обробка даних і видача інформації. Струм споживання в режимі вимірювання не перевищує 1,5 мА. Після цього датчик переходить у стан «сну» з струмом споживання не більше 1 мкА до наступного запиту. Час, необхідний датчику на вимірювання тиску і видачу інформації, не перевищує 50 мс після прийому запиту на вимір. При такому режимі роботи датчик може тривалий час працювати від хімічного джерела струму напругою 3В. Датчик може працювати в двухпроводной локальної мережі; при використанні адаптера UART- RS485 можлива побудова мережі з 255 датчиків. На рис.3 показані температурні залежності початкового вихідного сигналу і чутливості енергозберігаючого датчика тиску з цифровим виходом.
Рис.3. Типова температурна залежність похибки початкового вихідного сигналу (▲) і чутливості (Δ) датчика тиску з цифровим вихідним сигналом.
Нарешті, розроблені і освоєні в серійному виробництві датчики тиску МИДА-ДІ-13П-М, призначені спеціально для застосування в системах контролю витрат теплоносіїв в ЖКГ . Датчики мають обмежений ряд верхніх меж (від 0,6 МПа до 2,5 МПа) і вихідний сигнал 4-20 мА. Температура вимірюваної води може досягати 130 ° С. Особливістю датчиків є збереження точності вимірювань (0,5%) у всьому робочому інтервалі температур; при цьому їх вартість знижена майже вдвічі в порівнянні з серійними датчиками МЗС-ДІ-13П при збереженні стандартних габаритних і приєднувальних розмірів.