Современные технологии в измерении давления, расхода и уровня

Рис. 1 а. Сенсор DPHarp в сборе

Как показала история, это было правильным шагом: за несколько лет доля компании Yokogawa на мировом рынке датчиков давления выросла более чем в 4 раза (Отчеты ARC 1995-2004 гг.). Наверное, самой высокой оценкой можно считать то, что преимущество данного сенсора вынуждены были признать другие именитые производители.

Принцип измерения DPHarp

В основе нового сенсора DPHarp лег известный „частотно-резонансный” принцип, который наглядно можно продемонстрировать на примере струны: натяжение струны контролируется ее собственной частотой колебаний (тоном). При натяжении струны ее тон (частота собственных колебаний) становится выше, при ослаблении – наоборот, ниже. Сам по себе „частотно-резонансный” метод не нов, и в свое время производились датчики на этом принципе (например, „Струна”). Эти приборы хорошо себя зарекомендовали, однако не получили дальнейшего развития из-за низкой технологичности производства.

Уникальность же сенсора DPHarp заключается в том, что эта конструкция выполнена в чрезвычайно малых размерах (десятки микрон) в виде единого монокристалла кремния (отсюда пошло название „кремниевый резонатор”) безо всяких швов, смычек и т.п. Помимо эксплуатационных достоинств технология DPHarp позволяет изготавливать сенсоры нового поколения большими партиями и по конкурентоспособной цене. Благодаря этому, только в России уже работает более 50 тысяч датчиков на технологии DPHarp.

Рис. 1 б. Резонатор сенсора в срезе, под электронным микроскопом

Конструкция сенсора DPHarp

В качестве упругого элемента используется кремниевая диафрагма, на которой расположены два чувствительных элемента. Чувствительные элементы – резонаторы расположены так, что их деформации отличаются по знаку при приложении разности давлений к сенсору. Изменение собственной частоты резонаторов прямо пропорционально прилагаемому давлению (рис. 3).

Возбуждение колебаний и передача частоты механических колебаний в электрический частотный сигнал происходит путем помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле и пропускание переменного элек-трического тока через тело резонатора в контуре возбуждения. Благодаря эффекту электромагнитной индукции, в измерительном контуре возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний резонатора измерительного контура. Обратная связь контура возбуждения по измерительному контуру вместе с эффектом сдвига частоты вынужденных колебаний в сторону резонансной частоты обеспечивают постоянное соответствие частоты электрических колебаний резонансной (собственной) частоте механических колебаний тела резонатора. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет обычно около 90 кГц.

Рис.2. Преобразователь перепада давления серии EJX, выполненный по технологии DPHarp

По сравнению с другими принципами измерения сенсор DPHarp дает следующие преимущества:

1. Стабильность и влияние перегрузок Существующие широко используемые методы преобразования давления в электрический сигнал имеют очевидные принципиальные ограничения по стабильности и устойчивости к перегрузкам:

• для емкостного метода это остаточная деформация и механическая усталость центральной мембраны – „сердца” емкостного сенсора,
• для пьезорезистивного метода это нестабильность стеклянной подложки и дрейф сопротивления пленок, связанный с диффузией примесей в материале.

Рис.3. Измерение частоты резонаторов под давлением

Как следствие, если вы внимательно изучите спецификации таких приборов, то ни у одного из них не найдете того, чтобы производитель нормировал погрешность прибора после односторонней перегрузки по давлению, кроме того – даже у самых лучших датчиков при нормировании стабильности ставятся существенные ограничения по рабочим условиям (температуре окружающей среды, давлению).

В случае кремниевого резонатора DPHarp собственную частоту определяют всего два параметра – масса и геометрические размеры и форма. Масса резонатора измениться не может. Геометрические же размеры и форма также жестко зафиксированы кристаллической решеткой – самой стабильной и упругой структурой. Это все в совокупности позволяет компании Yokogawa гарантировать стабильность во всем диапазоне рабочих условий без всяких дополнительных ограничений, включая перегрузки по давлению. Суперстабильность кремниевого резонатора подтверждается на практике: это подтверждают постоянные испытания по циклическим нагрузкам, термоциклированию и т.п. На рисунке 4 Вы можете видеть результаты испытаний на дрейф нуля в течение 15 календарных лет. За все это время ни один из испытываемых датчиков ни разу не подстраивался и у них не корректировался ноль.

Рис.4. Результаты мониторинга погрешности датчика, сделанного по технологии DPHarp, на протяжении 15 лет

2. Влияние внешних факторов (изменение температуры, статического давления) Следующим важным фактором является устойчивость к внешним воздействиям (температуре и статическому давлению). Для емкостного и пьезорезистивных сенсоров это традиционно проблематичное направление:

• у емкостных датчиков происходит дрейф нуля из-за незаметного, но существенного для точных измерений, перекоса сенсора (идеально симметричной конструкции не бывает);
• в случае пьезорезистивного сенсора – это существенная зависимость сопротивления полупроводниковых пленок от температуры и статического давления (естественно, большую зависимость гораздо сложнее скомпенсировать).

У кремниевых резонаторов ситуация кардинально лучше:

• Геометрические размеры на 4-5 порядков (в десятки и сотни тысяч раз) меньше подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (сопротивление, емкость).
• В сенсоре используются не один, а два идентичных резонатора, расположенных так, что они по-разному реагируют на изменение перепада давления. Благодаря этому есть возможность разделить „полезный” и паразитные вклады в сигнал (разница частот резонаторов пропорциональна перепаду давления, а сумма частот – статическому давлению с поправкой по температуре). Таким образом, возможна сразу аппаратная компенсация с одновременным получением дополнительной информации.
• Сопротивление тела резонатора является индикатором температуры. Индивидуальные характеристики сенсора записываются в память электроники, и в дальнейшем по температуре сенсора происходит компенсация оставшихся влияний температуры и статического давления.

3. Точность, перестройки шкалы Кремниевый резонатор” называют поистине цифровым сенсором, так как в нем полностью отсутствует промежуточное аналого-цифровое преобразование (деформация сразу преобразуется в частоту) в отличие от емкостного и пьезорезистивного датчиков, где промежуточный аналоговый параметр обязательно присутствует (деформация – емкость – частота, деформация – сопротивление – частота). Для сравнения – это как разница между винтовым и реактивным двигателями: в обоих случаях самолет двигает реактивная тяга, только в случае реактивного двигателя это напрямую реактивная струя сгораемого топлива, а в случае винтового двигателя топливо, сгорая, сначала раскручивает двигатель внутреннего сгорания, который крутит винт, а уже винт содает реактивную струю воздуха.

Этот факт вкупе с чисто линейной зависимостью частоты от давления дают большое преимущество „кремниевому резонатору”, благодаря чему для достижения более высокой точности требуется только увеличить точность калибровки, а перестройка шкалы не требует подстройки нуля и калибровки, обязательных для емкостного и пьезорезистивного датчиков. На сегодняшний день никому другому не удалось предложить какой-либо серьезной альтернативы емкостному и пьезорезистивному методам измерения, а следовательно большой „запас прочности” по точности и стабильности сенсоров DPHarp дает уверенность в том, что за технологией DPHarp – будущее.