Датчики дифференциального давления от Omron
В марте прошлого года компания Omron Electronic Components BV, признанная во всем мире как лидер производства высококачественных инновационных электронных компонентов, представила серию цифровых датчиков дифференциального давления D6F-PH, обеспечивающих исключительную точность и повторяемость измерений таких параметров низкоскоростных воздушных потоков, как давление и расход, недостижимые для ранее используемых аналогов емкостного или пьезоэлектрического типа.
Благодаря цифровой технологии, основная опция измерения давления в датчиках серии D6F-PH может дополняться измерением расхода воздушного (газового) потока и его температуры, а по заявке заказчика — даже детектированием аварийной ситуации по достижении температурой заданного порогового значения. Превосходная чувствительность и способность производить измерения в различных газовых потоках с низким расходом позволяет использовать новые приборы в высококачественном медицинском, химико-технологическом оборудовании и в научных исследованиях. Столь замечательные результаты конструирования электронных приборов, предназначенных для измерения и управления параметрами физической среды, невозможно было бы получить вне сферы стремительно развивающихся в настоящее время технологий проектирования и производства микроэлектромеханических систем (Microelectromechanical Systems, MEMS).
Как и любой продукт МЭМС-технологий, датчик дифференциального давления от Omron представляет собой микросистему, объединяющую два самостоятельных компонента. Первый из них — исполненный на отдельном кристалле измерительный элемент, преобразующий контролируемые параметры физической среды в некоторый электрический сигнал. Второй — специализированная интегральная микросхема (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), осуществляющая обработку входного и формирование выходного сигнала, содержащего информацию об измеряемом параметре.
Микрофотоснимок измерительного элемента в датчике (рис. 1а) иллюстрирует реальные размеры и топологию размещения (рис. 1б) его составных частей. Трудно представить себе, что столь совершенная измерительная система имеет габариты всего лишь 1,25 х 1,25 х 0,4 мм! При внимательном изучении рисунка в центре кристалла можно видеть выполненный по тонкопленочной технологии нагревательный элемент, о котором речь пойдет позже, и три независимых термоэлемента — А, В и базовый. Выводы этих элементов соединены с показанными на рисунке контактными площадками, предназначенными для подключения к специализированной микросхеме ASIC. Тонкая подложка измерительного элемента для обеспечения требуемой стойкости к механическим и вибрационным воздействиям соединена с керамическим основанием. В нижней части рис. 1б представлено поперечное сечение измерительного элемента, где видно, что в центральной части основания под нагревательным и термочувствительными элементами вытравлена полость, снижающая охлаждающее воздействие основания на измерительный элемент при его нагреве.
Рис. 1. Конструкция измерительного элемента в датчике дифференциального давления D6F–PH
Как упоминалось выше, процесс принудительного нагрева контролируемой датчиком физической среды положен в основу действия прибора и ужесточает условия его функционирования, что связано с возникающими механическими напряжениями композитных материалов и деградацией электрических свойств незащищенных токонесущих элементов. Поэтому важно оградить измерительный элемент и от возможной химической агрессивности среды. Защитные свойства измерительного узла обеспечивают не только показанный на рисунке изолирующий слой поверх токонесущих элементов, но и используемая в компании Omron технология производства МЭМС-датчиков дифференциального давления и других продуктов аэрокосмического назначения, соответствующих самым жестким требованиям эксплуатации.
Принцип работы
Типовая схема применения датчика дифференциального давления представлена на рис. 2, где стрелкой показано направление движения газа (воздуха) в основном канале. При этом давление на входе диафрагмы обозначено через Р1, на выходе — Р2. Для измерения дифференциального давления обводную трубку со входа диафрагмы подключают к патрубку датчика с индексом «+», с выхода — с индексом «–». Тогда измеряемое дифференциальное давление составит величину ΔР = Р1–Р2. Если обводные трубки подключить к измерительной диафрагме наоборот, датчик покажет результат измерения со знаком минус. Чтобы результат измерения перепада давления соответствовал истинному значению с точностью до знака, изначальное подключение обводных трубок с высоким и низким давлением должно соответствовать вышеуказанному правилу.
Рис. 2. Типовая схема применения датчика дифференциального давления
Принцип измерения дифференциального давления иллюстрирует рис. 3, показывающий распределение температурного поля в рабочем пространстве датчика, поперечное сечение конструкции которого пояснялось на рис. 1б. На рис. 3а видно, что в отсутствии движения воздуха в измерительном канале температурное поле симметрично относительно нагревательного элемента, следовательно, выходное напряжение на термоэлементах А (со стороны плюсового патрубка) и В (минусового) одинаково, их разность равна нулю. При возникновении движения воздуха в измерительном канале перпендикулярно оси нагревательного элемента (рис. 3б) температурное поле перераспределяется, при этом больший нагрев термоэлемента В вызывает возрастание напряжения на его выводах и, соответственно, меньший нагрев термоэлемента А приводит к уменьшению его выходного напряжения. Следовательно, разность напряжений на выводах термоэлементов А и В позволяет определить дифференциальное давление в основном канале транспортируемого воздуха (газа), а зная сечение канала, и расход. Такую расчетную задачу обработки данных измерения выполняет упомянутая ранее специализированная микросхема, соединенная с выводами измерительного датчика.
Рис. 3. Измерение дифференциального давления на основе перераспределения температурного поля, создаваемого нагревательным элементом в датчике D6F–PH
По своей сути данная специализированная микросхема является однокристальной микро-ЭВМ, содержащей все необходимые для ее функционирования элементы — процессор, оперативную и долговременную память с «зашитой» в ней управляющей программой, регистры хранения и обработки информации, аналого-цифровые преобразователи, интерфейс обмена информацией с внешней ЭВМ и др. Подробнее со структурой микро-ЭВМ и форматом цифровых данных, используемых в датчике, можно ознакомиться в источнике [2].
Цифровая обработка информации в датчике дифференциального давления позволяет программно устранить показанную на рис. 4 нелинейную зависимость выходного напряжения, формируемого измерительной частью. Вследствие теплового механизма проведения измерений результат нелинейно зависит как от скорости измеряемого потока, так и от колебаний температуры воздуха в некотором интервале ΔТ, как это обозначено на рисунке. Основываясь на дополнительных данных, получаемых от базового термоэлемента (рис. 1б), микро-ЭВМ линеаризует требуемую зависимость и выполняет температурную коррекцию с погрешностью выходных данных не хуже ±3%. Причем выходные данные формируются в виде последовательного цифрового потока формата I2C.
Рис. 4. Зависимость выходного напряжения в измерительном элементе датчика от температуры и измеряемого расхода воздуха
Результаты исследования устойчивости к пылевому загрязнению контролируемой среды датчиков дифференциального давления от различных производителей изложены в статье [3], где показано влияние не только конструктивного исполнения прибора на жизнестойкость подобных изделий, но и их ориентации в пространстве при функционировании, а также рабочего расхода воздуха при измерении. Чем он меньше, тем выше ресурс прибора. Следовательно, изначально рассчитанные на низкое дифференциальное давление датчики серии D6F–PH, дополнительно оборудованные системой BDSS и правильно сориентированные в пространстве, имеют неоспоримое преимущество перед остальными аналогами.
Устройство двунаправленного пылевого фильтра иллюстрирует рис. 5а. Запыленный воздух через входной патрубок тангенциально входит в цилиндрический корпус первого по пути движения воздуха микроциклона, соосно с которым смонтирован выходной патрубок для очищенного воздуха. Через 180° также тангенциально к корпусу микроциклона подсоединен выходной патрубок для запыленного воздуха. Аналогичный второй микроциклон включен последовательно с первым, при этом не имеет значения, какой из микроциклонов будет первым, а какой — вторым, т. е. эффективность очистки воздуха не зависит от направления движения воздуха в фильтре, что особенно важно для дифференциальных датчиков, где движение воздушного потока может происходить как в прямом, так и в обратном направлении.
Рис. 5. Устройство двунаправленного пылевого фильтра в датчике D6F–PH
Как показано на рис. 5б, при входе в микроциклон условно выделенные оранжевым цветом частицы пыли, обладающие некоторой массой, под воздействием центробежной силы смещаются в радиальном направлении к корпусу микроциклона и, увлекаемые воздушным потоком, через патрубок выходят из первого и попадают во второй циклон. Очевидно, что в соосный с корпусом микроциклона выходной патрубок частицы пыли попасть не могут, поскольку направление движения воздуха в нем перпендикулярно по отношению к плоскости вращательного движения запыленного воздуха. Этим достигается достаточно глубокая степень очистки воздуха, подаваемого по отдельному каналу к МЭМС-датчику, что позволяет обеспечить требуемую точность и стабильность измерений.
Особенности применения и технические параметры
Основные конструктивные параметры датчиков дифференциального давления серии D6F–PH приведены на рис. 6. Обращает на себя внимание наличие взаимно перпендикулярно ориентированных двух пар крепежных отверстий со внутренним диаметром 2 мм, что предоставляет конструктору при проектировании измерительной установки возможность выбора различных вариантов крепления датчика. Для справки на рисунке показана фактически отсутствующая на изделии маркировка «+» и «–» патрубков, которую следует учитывать при подключении обводных трубок с высоким и низким давлением соответственно, о чем пояснялось выше. На верхней части рисунка над размерной линией 22 мм, соответствующей межосевому расстоянию крепежных отверстий, показаны штыревые электрические контакты. Для подключения к ним напряжения питания и сигнальных проводников следует использовать соответствующую ответную четырехконтактную гнездовую часть разъема и ни в коем случае не прибегать к непосредственной припайке проводников.