Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №10

Преимущества датчиков TruStability компании Honeywell при измерении низких и сверхнизких давлений

Шемякин Сергей


Для чего Honeywell S&C выпустило на рынок новую линейку датчиков давления, TruStability, перекрывающих тот же самый диапазон измерений, что и уже существующие пластиковые датчики этой фирмы? Статья расскажет читателю об основных отличительных чертах устройств новой линейки, пояснит некоторые тонкости самого процесса измерения, без которых невозможно понять, чем TruStability превосходит уже работающие в рассматриваемом диапазоне прежние модификации пластиковых датчиков, приведет примеры применения TruStability в различных приложениях.

Семейство TruStability

На протяжении уже довольно долгого времени подразделение сенсорного контроля (Sensing and Control) компании Honeywell выпускает датчики давления (ДД) как общего применения, так и специальные, предназначенные для приборов повышенной точности и используемые, в основном, в испытательной и измерительной технике. Эти специальные датчики производятся под маркой Sensotec и являются дорогостоящими прецизионными устройствами, которые выпускаются только на заказ и, как правило, очень небольшими партиями. Другой класс ДД является более недорогой массовой продукцией, часть номенклатуры которой поддерживается на складах продавцов постоянно. ДД массового применения для диапазона средних и высоких давлений производятся в прочных металлических корпусах, а для нижнего диапазона давлений — в пластиковых и более миниатюрных по размеру. Эти пластиковые ДД и относятся к рассматриваемому в статье семейству TruStability (рис. 1). Следует отметить, что нижний диапазон давлений принято делить на два поддиапазона: сверхнизкие (до 60 мбар) и низкие давления (от 60 мбар до 10 бар). В соответствии с этим датчики TruStability также бывают рассчитаны для работы либо с низкими, либо со сверхнизкими давлениями.

Датчики семейства TruStability

Рис. 1. Датчики семейства TruStability

TruStability можно перевести как «истинная стабильность», но в чем именно эта «истинная стабильность» заключается? Для чего Honeywell S&C выпустило на рынок новую линейку ДД, перекрывающих тот же самый диапазон измерений, что и уже существующие пластиковые датчики этой фирмы? Отвечая на эти вопросы, рассмотрим вначале основные отличительные черты устройств новой линейки, а затем поясним некоторые тонкости, касающиеся самого процесса измерения, без которых невозможно понять, чем TruStability превосходит уже работающие в рассматриваемом диапазоне прежние модификации пластиковых датчиков. Затем перейдем к применению TruStability в различных приложениях. Чтобы читатель лучше ориентировался в исходной технической документации, в тексте статьи рядом с русскоязычными метрологическими терминами в скобках упоминаются их англоязычные соответствия (единственное исключение — вместо громоздкого русскоязычного термина «суммарная погрешность измерений» мы практически везде для удобства используем международную аббревиатуру TEB — Total Error Band). Читатель, свободно разбирающийся в метрологических тонкостях, может пропустить разделы нашей статьи, посвященные видам погрешностей. А читателю, не вполне знакомому с данной темой, советуем, напротив, внимательно прочитать указанные разделы, а затем вновь вернуться в начало статьи к описанию общих свойств TruStability, чтобы полнее оценить их преимущества.

Характеристики ДД TruStability

TruStability в настоящее время — одна из самых молодых линеек Honeywell S&C ДД нижних диапазонов. Она делится на три серии (HSC, SSC и NSC), относящиеся к двум разным типам этих датчиков:

  • Термокомпенсированные повышенной (HSC) и обычной точности (SSC). Величина суммарной погрешности измерений TEB для различных частей измеряемого диапазона составляет от ±1% для HSC и от ±2% для SSC. Выход может быть либо аналоговым вольтового диапазона, либо цифровым 14-битным (с I2C- либо SPI-интерфейсами). Данные на выходе датчика обновляются с частотой в 1 кГц. Некоторые варианты устройств имеют опцию встроенной самодиагностики. Напряжение питания может быть 3,3 либо 5 В DC (это определяется при выборе конкретного партномера).
  • Нетермокомпенсированные, некалиброванные, не имеющие выходного усилителя, с выходным сигналом милливольтового диапазона (NSC). Для этой серии TEB не нормируется, но так же, как и для HSC и SSC, указываются значения точности и долговременной стабильности. Помимо этого, для NSC отдельно указываются величины термического эффекта сдвига нуля и сдвига шкалы. Напряжение питания в этом варианте ДД TruStability составляет –12ѕ+12 В постоянного тока.

Серии HSC и SSC изготавливаются как на низкие, так и на сверхнизкие давления, а NSC существует лишь в варианте для низких давлений.

Все датчики изготовлены по проприетарной технологии компании Honeywell, которая совмещает в себе пьезорезистивный чувствительный элемент датчика и встроенную в датчик специализированную интегральную микросхему обработки выходного сигнала. На заказ доступно много различных вариантов корпусов. Одни конструктивы предназначены для измерения давления по отношению к текущему атмосферному, другие измеряют абсолютное (относительно ваку-ума) давление, третьи — дифференциальное давление (разность давлений, приложенных к двум различным портам подвода давления). Важным плюсом для TruStability является и то, что они не чувствительны к ориентации в пространстве (их можно размещать в любом положении в конечном изделии, и это никак не будет отражаться на показаниях прибора), к вибрации (что снижает вероятность сбоя в выходных данных из-за случайных встряхиваний аппаратуры), а также обладают крайне низкой потребляемой мощностью (типичное значение для HSC и SSC для диапазона сверхнизких давлений составляет 10 мВт).

Калиброванный диапазон температур для датчиков HSC и SSC –20…+85 °C. Наконец, следует отметить весьма малый размер посадочного места на плате (footprint): около 10×10 мм.

Особенности ДД серий HSC, SSC и NSC

Рассмотрим основные отличия TruStability от уже выпускавшихся ранее пластиковых датчиков Honeywell S&C низкого и сверхнизкого давлений.

Во-первых, для всех трех серий TruStability тщательно нормируется такой важный параметр, как долговременная стабильность. Зная ее, можно более уверенно определять погрешность измерений датчика даже через значительное время после ввода изделия в эксплуатацию. А это важно с точки зрения гарантийных обязательств, которые на себя берут производители конечных изделий. Для TruStability долговременная стабильность для разных диапазонов составляет от ±0,25 до ±0,5% к BFSL от полной шкалы (при контрольном периоде испытания в 1000 ч и при эталонной температуре в +25 °C). Нормирование данного параметра позволяет увеличить время эксплуатации конечного изделия без замены работающего в нем датчика.

Во-вторых, серии HSC и SSC термокомпенсированы и характеризуются превосходными цифрами по TEB. TEB не следует путать c точностью: в отличие от последней, она нормируется у датчиков далеко не всегда.

В-третьих, точность измерения (без учета влияния температурных эффектов) является самой высокой из ранее выпускавшихся Honeywell S&C датчиков данного диапазона. Она составляет ±0,25% от полной шкалы по отношению к BFSL. Разработчика не должен смущать тот факт, что датчики Honeywell S&C прежних серий DCXL-DS, SCXL и некоторые другие имеют лучшие цифровые значения близкого, но все же отличающегося от точности параметра «нелинейность плюс гистерезис (по давлению)», который составляет у них 0,2%. Чем параметр «нелинейность плюс гистерезис (по давлению)» отличается от точности, читателю станет понятно из диаграммы на рис. 2.

Различные виды погрешности измерений

Рис. 2. Различные виды погрешности измерений

В-четвертых, для датчиков всех трех рассматриваемых серий величины испытательного давления, давления разрыва и максимального рабочего давления во много раз превышают давление на верхней границе калиброванного диапазона измерений. Это позволяет уверенно использовать эти чувствительные датчики в условиях, когда возможны значительные скачки давления, могущие повредить обычный высокочувствительный датчик. Но ДД TruStability совмещают в себе высокую чувствительность к малым давлениям и огромный запас прочности по отношению к скачкам давления.

И, наконец, заказчику предоставляется большой выбор типоразмеров ДД, то есть возможность подбирать конфигурацию датчика при заказе.

О погрешности измерений

На практике часто приходится сталкиваться с понятиями «точность измерений» и «суммарная погрешность измерений». В чем различие между этими терминами? Следует сразу сделать оговорку, что наше понятие точности как разницы между истинным и измеренным значением физической величины и трактовка английского технического термина accuracy, который принято переводить на русский язык словом «точность», не вполне совпадают. Везде в тексте данной статьи говоря о «точности» мы имеем в виду именно accuracy. Метрологические термины, о которых идет речь в статье, рекомендованы к применению Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) и де факто приняты во многих странах мира. В России же роль, аналогичную NIST, выполняет ВНИИ метрологической службы (ВНИИМС).

Теоретические вопросы

Для датчиков давления TruStability идеальной передаточной характеристикой является прямая. При этом точность нормируется в документации как максимальное отклонение выходного сигнала датчика от прямой, аппроксимирующей его реальную передаточную характеристику при некоторой эталонной (референсной) температуре. Обычно это — прямая максимального соответствия BFSL (Best Fit Straight Light), при которой тестируется устройство. Если иное не оговорено, то в качестве эталонной температуры принимается +25 °C. Точность учитывает эффекты, связанные с нелинейностью передаточной характеристики, гистерезисом давления и повторяемостью, но не учитывает многих других факторов.

При приведенном выше формальном определении точности легко прийти ко многим несуразностям. Поэтому данное определение нуждается в уточнении. В простейшем случае ситуацию хорошо иллюстрирует «парадокс датчика с заземленным выходом». Заключается он в следующем. Если мы каким-либо образом зафиксируем выходной сигнал нашего датчика (к примеру, просто заземлив выход), то он будет обладать абсолютной повторяемостью, абсолютной линейностью и нулевым гистерезисом давления. Иными словами, мы получим абсолютно бесполезное устройство, обладающее при этом, с чисто формальной точки зрения, идеальными характеристиками по точности измерения: его передаточная характеристика будет прямой с нулевым наклоном (считая, что по оси абсцисс мы откладываем давление, а по оси ординат — выходное напряжение датчика). Но наклон этой выходной характеристики не будет иметь ничего общего с наклоном той передаточной характеристики, которую мы хотим получить. Это напоминает ситуацию со сломанным будильником, который дважды в сутки показывает абсолютно точное время.

Чтобы устранить это противоречие, NIST рекомендовал, говоря о каком-либо виде погрешности, в общем случае, различать статическую погрешность измерения (которая указывается для данного конкретного значения измеряемой физической величины) и величину погрешности, нормируемую для всего диапазона измерений. Кроме того, вводится понятие суммарной погрешности измерения (TEB), что иногда переводят как «полная полоса ошибки» или «полный диапазон ошибки». Величина TEB нормируется на весь диапазон измерений.

В применении к датчику с заземленным выходом это будет означать, что только в одной-единственной точке в начале шкалы мы будем иметь превосходный показатель статической погрешности, в данном случае — точность (другие виды погрешностей перечисляются ниже).

Разумеется, приведенный выше пример датчика с заземленным выходом — крайность, курьез. Но вот что сплошь и рядом встречается на практике: многие производители датчиков, в особенности недавно вышедшие на этот рынок, не указывают в технических характеристиках на свои датчики давления величину TEB, а только точность (которая рассчитывается для какой-либо одной температуры). Или же TEB указывается, но не для всего диапазона измерений, а только для какого-нибудь одного, достаточно узкого участка этого диапазона (обычно для того, в котором данный параметр имеет наилучшее значение). Таким образом, заказчику самому предоставляется решать задачу окончательной калибровки прибора, которая должна учитывать именно суммарную погрешность измерений для всего диапазона. Она-то, в конечном счете, и влияет на результат реальных измерений.

Из приведенных выше определений видно, почему нельзя смешивать и, тем более, сравнивать между собой величину точности измерения и TEB. Точность является лишь одним из факторов, влияющих на величину TEB.

Практические выводы

Как показывает практика, заказчики не всегда достаточно хорошо представляют себе разницу между различными типами погрешностей измерения. Взаимосвязь между этими типами погрешностей наглядно иллюстрирует рис. 2. Перечислим различные типы погрешностей, сгруппировав их для лучшего восприятия так, чтобы определения близких по типу видов погрешности находились рядом (например, термическую ошибку сдвига нуля мы рассматриваем сразу же вслед за самим понятием сдвига нуля, и т. д.):

  • Сдвиг нуля — выходной сигнал, который получается на выходе датчика при приложении эталонного давления к порту подвода давления. При этом эталонным (референсным) давлением обычно называется, если иное не определено, действующее атмосферное давление для датчиков избыточного давления и полный вакуум (0 атмосфер) для датчиков абсолютного давления.
  • Термическая ошибка сдвига нуля — максимальное отклонение величины сдвига нуля (которое происходит при изменении температуры в нормируемом диапазоне) от величины сдвига нуля, измеренной при некоторой эталонной (референсной) температуре, при которой тестируется устройство. Обычно, если иное не оговорено, это +25 °C.
  • Величина полного размаха шкалы FSS (Full Scale Span) также влияет на TEB. В зависимости от того, как мы «обрежем» шкалу, величина TEB у нас будет разной.
  • Термический эффект сдвига шкалы — максимальное отклонение величины полного размаха шкалы, которое происходит благодаря изменениям температуры, от величины размаха шкалы, измеренного при эталонной температуре.
  • Гистерезис по давлению — максимальная разница между значениями выходного сигнала при приложении к порту датчика одного и того же давления при одних и тех же рабочих условиях. Величина давления при этом подходит к своему измеряемому значению, меняясь в одном случае от больших величин, а в другом — от меньших.
  • Термический гистерезис — максимальная разница между значениями выходного сигнала при измерениях, произведенных при одной и той же температуре и при одних и тех же рабочих условиях. Величина температуры при этом подходит к своему измеряемому значению, меняясь в одном случае со стороны больших величин, а в другом — со стороны меньших.
  • Нелинейность по давлению — величина максимального отклонения от прямой, аппроксимирующей реальную характеристику. Для проведения указанной прямой, в общем случае (как и при определении точности), используются либо метод прямой наилучшего соответствия (BFSL-метод, о котором говорилось выше), либо TSL-метод, то есть линеаризация с использованием разложения в ряд Тейлора. В документации на датчики TruStability Honeywell S&C предпочтение отдается BFSL-методу.
    Примечание. В России вместо величины, которую мы в тексте статьи именуем обычной точностью, принято использовать, согласно российским метрологическим стандартам, близкую по характеру величину — основную погрешность измерений. Согласно определению, это погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Обычно при этом указывают эталонную (референсную) температуру. При этом погрешность средства измерений определяют как разность между его показаниями и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Очевидно, что, в общем случае, основная погрешность измерения может отличаться и от BFSL-, и от TSL-точности.
  • Повторяемость характеристики — максимальная разница между значениями выходного сигнала при измерениях, хотя и различных, но сделанных при одних и тех же температуре и рабочих условиях. При этом величина давления (чтобы исключить влияние гистерезиса по давлению) изменяется в каждом случае в одну определенную сторону (обычно, как это сделано и в нашем случае, в сторону увеличения).

Отметим, что все приведенные выше виды погрешностей рассматриваются строго в термокомпенсированном диапазоне. Вне термокомпенсированного диапазона TEB у датчика не нормируется. Эту величину можно нормировать только у конечного изделия, которое, как предполагается, будет иметь собственную схему термокомпенсации вне датчика и будет надлежащим образом откалибровано.

Таким образом, при реальных измерениях окончательный результат замера зависит, в конечном счете, от суммарной погрешности измерений TEB — величины, в которой учтены многие типы погрешностей (в частности, точность измерений). Никогда нельзя, сравнивая датчики одного или разных производителей между собой, сопоставлять точность одного датчика с суммарной погрешностью измерений другого.

Величина TEB, как и точность, может быть различной для разных частей диапазона измерений. Говоря о ней, нужно знать, указывается ли TEB для всего диапазона измерений или же только для какой-либо его части (TEB, нормированная на весь диапазон, равна TEB на его худшем из участков).

Погрешность измерений TruStability

Теперь перейдем собственно к датчикам TruStability и посмотрим, как именно в них нормируется точность и TEB.

На рис. 3 показаны диаграммы того, как изменяется TEB, в зависимости от конкретного диапазона давлений для датчиков HSC двух типов — дифференциальных и рассчитанных на измерение избыточного давления. По форме диаграмма отдаленно напоминает Эйфелеву башню, т. е. имеет ярко выраженный пик. Это означает, что для большей части диапазона измерений, на которую рассчитаны различные конкретные партномера серии HSC TruStability, TEB практически постоянна и составляет ±1%. В нижней же части диаграммы, когда давление мало, TEB начинает стремительно расти (здесь, в своем широком основании, диаграмма имеет самые плохие значения TEB). Видно, что Honeywell S&C весьма тщательно нормирует свои датчики по суммарной погрешности: она учтена для каждой части диапазона измерений. А теперь посмотрим, чему соответствует на нашей диаграмме обычная точность измерений (которая, как мы теперь знаем, учитывает только три различных вида погрешностей из всех возможных): это узкий столбец по оси симметрии «Эйфелевой башни». Таким образом, помните, что при реальном измерении мы работаем именно с TEB, а не просто с точностью.

Диаграммы TEB и точности для датчиков HSC

Рис. 3. Диаграммы TEB и точности для датчиков HSC (как аналоговых, так и цифровых), рассчитанных на различные диапазоны измерений

Приведенные диаграммы для датчиков TruStability дифференциального и избыточного давлений отличаются в деталях, но в целом, как мы видим, их формы схожи. Причем у аналоговых и цифровых вариантов HSC диаграммы изменения TEB совершенно одинаковы. Аналогичного вида диаграммы имеют и датчики TruStability серии SSC. Следует лишь помнить, что «Эйфелевы башни» этих диаграмм будут приблизительно в два раза толще в каждой из своих частей, поскольку SSC (в отличие от HSC) — это ДД обычной точности, а не повышенной.

Запас прочности ДД TruStability

Измеряя низкие давления, мы хотим иметь очень чувствительный прибор. При этом важно, чтобы он не разрушался при случайных скачках давления, которые на практике могут сильно выходить за пределы измеряемого диапазона. Введем следующие термины, которые помогут разобраться в преимуществах TruStability по запасу прочности:

  • Разрушающее давление, называемое также давлением разрыва, — максимальное давление, которое может быть приложено к порту ДД без разрушения датчика и прорыва жидкой либо газообразной среды, давление которой измеряется.
  • Испытательное давление — максимально возможное давление, которое может быть приложено к датчику на короткое время и не вызывающее необратимой деградации его характеристик после того, как давление вернется к обычному измеряемому диапазону. Постоянная же работа при таких давлениях приводит к медленной необратимой деградации характеристик. Испытательное давление, если иное не определено спецификацией, нормируется для всего рабочего диапазона температур ДД.
    Примечание. Между давлением разрыва и испытательным давлением лежит область давлений, в которой датчик хотя еще и не разрушается (соответственно, не наблюдается прорыва жидкой или газообразной среды, давление которой измеряется), но его характеристики уже не восстанавливаются в последующем при возвращении к диапазону рабочих давлений.
  • Рабочее давление — максимальное давление, которое можно приложить к порту датчика в течение длительного времени, не боясь вызвать необратимой деградации характеристик устройства при возвращении приложенного давления обратно в калиброванный диапазон измерений. Пока приложенное давление превышает верхнюю границу диапазона измерений, датчик, по определению, не может выдавать адекватных показаний. Естественно, каждый прибор рассчитан на определенный диапазон измеряемого сигнала.

На рис. 4 показано соотношение между давлением на верхней границе диапазона измерений, максимальным рабочим давлением, а также испытательным и разрушающим давлениями для датчиков TruStability серии HSC различных диапазонов. Например, в технической документации мы можем увидеть, что для датчика давления с калиброванным диапазоном измерений до 4 мбар верхняя граница рабочего диапазона составляет 335 мбар, что в 84 раза превышает максимальное давление на верхней границе диапазона измерений, а испытательное давление составляет 675 мбар, что в 169 раз выше верхней границы калиброванного диапазона. Давление же разрыва составляет 1000 мбар, что в 250 раз превышает давление на верхней границе калиброванного диапазона. Для сравнения: у обычного пластикового датчика давления указанного диапазона максимальное рабочее давление и давление разрыва превышают давление на верхней границе калиброванного диапазона лишь в разы, но не в десятки раз, и уж тем более не в сотни. Это относится, например, к такой уже довольно хорошо известной серии пластиковых датчиков нижнего диапазона давлений Honeywell S&C, как ASDX.

Различные типы предельных давлений для датчиков HSC

Рис. 4. Различные типы предельных давлений для датчиков HSC, работающих в трех различных диапазонах (выбраны датчики с диапазонами давлений до 4 мбар, до 10″ вод. ст., и до 30″ вод. ст.)

Области применения ДД TruStability

Датчики TruStability рассчитаны на применение в тех же областях, где уже используются предшествующие модели пластиковых ДД Honeywell S&C тех же диапазонов. Предполагается, что, благодаря описанным выше свойствам, их применение в аналогичных приложениях будет более эффективным. Возможно, они кое-где даже вытеснят собой датчики предыдущих серий Honeywell S&C.

С точки зрения типа сред, давление которых может измеряться, области применения датчиков TruStability связаны с работой с неагрессивными и неионогенными газами и жидкостями (особенно хороши они для работы с воздухом и различными сухими газами).

А как варьируется применение датчиков TruStability в зависимости от диапазона давлений, на которые они рассчитаны? Как мы помним, серии HSC и SSC выпускаются для диапазонов как низких, так и сверхнизких давлений (и только серия NSC существует строго в варианте для низких давлений).

В области сверхнизких давлений HSC и SSC можно рекомендовать для работы с различными медицинскими приложениями (вентиляционное оборудование и аппаратура для газового наркоза, спирометры, небулайзеры, амбулаторные компрессоры), а в промышленности они подходят для систем климат-контроля, включая сложные системы кондиционирования с переменным расходом воздуха, и для отслеживания засорения фильтров климатического оборудования.

В области низких давлений TruStability можно использовать также в различных медицинских приложениях, связанных с анестезией, системами наблюдения за состоянием воздуха, анализом крови, в газовых хроматографах, аппаратах «искусственная почка», кислородных концентраторах, системах пневматического контроля, в респираторном оборудовании, аппаратах СИПАП-терапии (терапия задержки дыхания во сне) и вентиляционном оборудовании. Потенциальные промышленные применения датчиков TruStability низких давлений включают в себя барометрию, проточные калибраторы, газовые хроматографы, аппаратуру контроля расхода газа, системы вентиляции, обогрева и кондиционирования воздуха, пневматический контроль и биохимию.

Что касается серии NSC, то инженеры из Honeywell S&C рекомендуют применять ее примерно в тех же приложениях, что и HSC и SSC низких давлений (разумеется, с учетом того, что датчики NSC не имеют выходного усилителя и схемы термокомпенсации), а именно: в медицине — все в тех же небулайзерах, спирометрах и системах контроля за состоянием пациента, хроматографах, системах анализа крови и других системах медицинского анализа, а в промышленности — в компонентах пневмосистем, таких как клапаны, насосы и актюаторы, а также в системах пневматического контроля и производства различных газов, барометрии, в промышленных хроматографах и других анализаторах.

Литература

  1. http://sensing.honeywell.com/products/pressure_boardmount_sensors? Ne=2308&N=3383
  2. http://www.nist.gov
  3. http://www.sensorsone.co.uk/news/63/What-is-the-BSL-and-TSL-accuracy-of-a-pressure-sensor.html
  4. http://www.vniims.ru/inst/termin/pogreshnostsi.html
-->

Сообщить об ошибке