DPHarp – современные технологии в измерении давления, расхода и уровня

Применяемые в большинстве современных датчиков давления ёмкостный и пьезорезистивный принципы измерения работают уже около 50 лет и давно исчерпали себя: известные проблемы стабильности, ухода характеристик с температурой и давлением, а также аналого-цифровое преобразование ограничивают возможности датчиков на основе этих принципов и приводят к их удорожанию в свете постоянно растущих требований к их характеристикам.

В конце 80-х, когда произошел скачок в развитии технологий полупроводников, японская компания Yokogawa решилась на беспрецедентный шаг – отойти от традиционных методов измерения и реализовать принципиально новый частотно-резонансный сенсор, названный в дальнейшем DPHarp (Differential Pres-sure High Accura-cy Resonant Pres-sure sensor).

Принцип измерения

В основе нового сенсора DPHarp лежит известный частотно-резонансный принцип, который наглядно можно продемонстрировать на примере струны: при натяжении струны её тон (частота собственных колебаний) становится выше, при ослаблении — наоборот, ниже.

Уникальность 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. (рис. 1).

Конструкция сенсора

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.

Возбуждение колебаний и преобразование частоты механических колебаний в электрический частотный сигнал происходит путём помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле и пропусканием переменного электрического тока через тело резонатора в контуре возбуждения (рис. 2).

Такой сенсор имеет целый ряд преимуществ по сравнению с другими принципами измерения.

Стабильность и влияние перегрузок

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

• для ёмкостного метода это остаточная деформация и механическая усталость центральной мембраны – «сердца» ёмкостного сенсора;

• для пьезорезистивного метода это нестабильность стеклянной подложки и дрейф сопротивления плёнок, связанный с диффузией примесей в материале.

В случае кремниевого резонатора DPHarp собственную частоту определяют всего два параметра: 1) масса, 2) геометрические размеры и форма. Масса резонатора измениться не может. Геометрические же размеры и форма также жёстко зафиксированы кристаллической решёткой – самой стабильной и упругой структурой. Это всё в совокупности позволяет гарантировать стабильность во всём диапазоне рабочих условий без ограничений, включая перегрузки по давлению.

Суперстабильность кремниевого резонатора подтверждается на практике постоянными испытаниями по циклическим нагрузкам, термоциклированию и т.п. На рис. 3 можно видеть результаты испытаний на дрейф нуля в течение 15 календарных лет.

Влияние внешних факторов (изменение температуры, статического давления)

Следующим важным фактором является устойчивость к внешним воздействиям (температуре и статическому давлению). Для ёмкостного и пьезорезистивных сенсоров это традиционно проблематичное направление:

• у ёмкостных 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 плёнок от температуры и статического давления (большую зависимость гораздо сложнее компенсировать).

У кремниевых резонаторов ситуация гораздо лучше:

1. геометрические размеры на 4-5 порядков (в десятки и сотни тысяч раз) меньше подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (сопротивление, ёмкость);

2. в сенсоре используются два идентичных резонатора с разным откликом на перепад давления, но одинаковым – на статическое давление и температуру. Аппаратная компенсация получается автоматически, так как для измерения перепада давления берётся разница частот этих резонаторов. Тут же по сумме частот измеряется и статическое давление;

3. по сопротивлению резонатора определяется температура сенсора, по которой электроника датчика компенсирует оставшееся влияние температуры на характеристики прибора.

Точность перестройки шкалы

Кремниевый резонатор называют поистине цифровым сенсором, так как в нём полностью отсутствует промежуточное аналого-цифровое преобразование (деформация сразу преобразуется в частоту), в отличие от ёмкостного и пьезорезистивного датчиков, где промежуточный аналоговый параметр обязательно присутствует (деформация – ёмкость — частота, деформация – сопротивление – частота). Это даёт большое преимущество кремниевому резонатору: перестройка шкалы не требует подстройки нуля и калибровки, обязательных для ёмкостного и пьезорезистивного датчиков, а для достижения более высокой точности требуется только увеличить точность калибровки.

За сенсором DPHARP будущее

Неоспоримое преимущество данного сенсора вынуждены были признать другие именитые производители, например, смотрите патент на сенсор датчика 3051S (патент США 6,082,199). На сегодняшний день никому другому не удалось предложить какой-либо серьёзной альтернативы ёмкостному и пьезорезистивному методам измерения, а следовательно, большой запас прочности по точности и стабильности сенсоров DPHarp даёт уверенность в том, что за технологией DPHarp будущее.

EJX — новая серия датчиков с сенсором DPHARP

В 2004 году компания «Иокогава» выпустила новую линейку датчиков давления – серию EJX.

Так же как и датчики EJA, серия EJX предлагает широкий набор унифицированных аналоговых и цифровых выходных сигналов, с помощью которых можно изменить настройки прибора и выходные характеристики сигнала, получить сообщения диагностики и т.п.

При всем этом в новой серии EJX реализован целый ряд отличительных функций и характеристик, которые выделяют EJX по сравнению с EJA:

• гарантируются более высокие точность и стабильность (погрешность – 0,04% от шкалы стандартно, стабильность – 0,1% от верхнего предела измерения — ВПИ в течение 10 лет). При этом максимальная глубина перестройки шкалы увеличена до 200;

• дополнительно к аналоговому выходу сделан ещё и опциональный релейно-импульсный выход (открытый коллектор), позволяющий выводить на верхний уровень вторую переменную в виде релейного или импульсного сигнала;

• во всех датчиках перепада стандартно также измеряется и статическое давление. При этом выпущена ещё модель многопараметрического датчика EJX910, который принимает дополнительно сигнал с внешнего термометра сопротивления и производит вычисления массового или приведённого к нормальным условиям расхода строго в соответствии с существующими стандартами;

• значительно повышена скорость реакции датчика на изменение давления. На сегодняшний момент EJX имеет время отклика 95 мс и является самым быстрым интеллектуальным датчиком давления;

• надёжность нового датчика такова, что стандартные модели EJX получили сертификат TU..V сразу на уровень SIL2.

Датчики серий EJA/EJX внесены в Госреестр средств измерения РФ, и утвержден межповерочный интервал – 3 года.

За более подробной информацией, пожалуйста, обращайтесь в представительства фирмы «Иокогава Электрик СНГ». ●

Автор — сотрудник ООО «Иокогава Электрик СНГ»
Телефон: (495) 737-7868
Факс: (495) 933-8549
E-mail: info@ru.yokogawa.com
Web: www.yokogawa.ru
E-mail: info@ru.yokogawa.com
Web: www.yokogawa.ru