|
Оглавление
30 июня 2007, 19:31
Датчики давления фирмы HONEYWELL
Датчики давления компании HONEYWELL
|
Автор статьи: А. Маргелов. Материал посвящен полупроводниковым датчикам компаний Honeywell, которые предназначены для
измерения различных видов давления жидкостей и газов. Рассмотрены доступные на данный момент
типы датчиков, принцип их действия, краткие технические характеристики, особенности и область
применения. |
Сегодня полупроводниковые датчики давления — одно из наиболее динамично развивающихся направлений в области электроники. В мире насчитывается больше сотни компаний, занятых
производством полупроводниковых датчиков давления различного применения. Изделия этих фирм-производителей имеют примерно равное качество, а аналогичные типы приборов находятся в одной
ценовой категории.
|
Последовательное приобретение компаний-конкурентов (среди них известные Data Instruments, SenSym и Sensotec) вывело фирму Honeywell на лидирующие позиции на рынке датчиков давления.
Основой любой модели датчика давления Honeywell является тензочувствительный элемент.
Это, как правило, четыре идентичных пьезорезистора, имплантированных в канавки, вытравленные
на поверхности кремниевой мембраны и соединенных по мостовой схеме (рис. 1). Внешнее давление вызывает деформацию мембраны, что приводит к разбалансировке моста. Значение создаваемого
напряжения рассогласования (полезный сигнал) прямо пропорционально приложенному давлению. Этот принцип заложен в основу работы любого датчика Honeywell, но на нем и заканчивается сходство.
Дело в том, что теперь Honeywell выпускает приборы для применения в самых разнных областях (начиная от схем контроля засорения фильтра бытового пылесоса до измерителей давления
эксплуатационных жидкостей летательных аппаратов) с различными электрическими, конструктивными, климатическими и ценовыми характеристиками. Портфель полупроводниковых
датчиков давления Honeywell в настоящий момент насчитывает несколько тысяч приборов. Большое разнообразие конструктивных исполнений, широчайший диапазон измерения (от нескольких
десятков миллиметров водяного столба до сотен атмосфер), способность работать в различных средах, в том числе агрессивных, все варианты стандартных выходных сигналов, наличие прецизионных
моделей плюс гибкая ценовая политика предоставляют разработчику неограниченную свободу выбора датчика практически для любой области применения. Чтобы получить четкое и систематизированное
представление сразу обо всей линейке датчиков давления Honeywell, необходимо провести классификацию компонентов по основным признакам, а именно: по типу и величине измеряемого
давления, типу измеряемой среды и выходного сигнала.
|
КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ HONEYWELL ПО ОСНОВНЫМ ПРИЗНАКАМ
|
Типы измеряемого давления: Любой датчик всегда измеряет разницу давлений, подведенных с разных сторон мембраны. При этом, как правило, одно из них должно быть подведено
через порт подвода. Это давление обычно прилагается со стороны пьезорезистивного моста мембраны. Давление, используемое с противоположенной стороны мембраны, определяет тип датчика и
является опорным. Компания Honeywell производит датчики для измерения всех существующих типов давления: абсолютное, дифференциальное, избыточное и вакуум. На рис. 2–5 наглядно
проиллюстрированы структура и передаточные характеристики каждого типа приборов. Стоит отметить, что у большинства производителей дифференциальный и избыточный типы датчиков являются
однонаправленными, то есть давление в порте P1 должно быть всегда больше давления в порте P2. Другими словами, диафрагма работает только в одну сторону. Это не означает,
что, если P2 превысит P1, она разрушится или характеристика преобразования безвозвратно деградирует. Это означает, что передаточная характеристика при этом просто не будет определена.
А у Honeywell существует множество так называемых двунаправленных моделей, способных измерять одновременно как разрежение, так и избыточное давление c одной стороны мембраны
(одним портом).
|
|
Типы выходного сигнала: Тип выходного сигнала датчика давления Honeywell определяет степень его интеграции. По этому признаку все модели можно разделить на три большие
группы: базовые, термокомпенсированные с заводской калибровкой смещения и диапазона и термокомпенсированные с заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом.
|
Рассмотренная в начале статьи структура называется базовой и является самой простой и недорогой. Характерным ее недостатком является сильная зависимость характеристики
преобразования от температуры и большой разброс напряжения смещения от образца к образцу (рис. 6). Несмотря на это, Honeywell производит ряд семейств по базовой схеме. Высокий спрос
на такие приборы обусловлен тем, что существует множество приложений, где нет необходимости в точном измерении, а требуется лишь грубая оценка. Здесь можно значительно сэкономить
на стоимости изделия. Другой причиной такого спроса являются специфические требования к датчику по точности, стабильности, типу выходного сигнала и конструктивному исполнению, которым
порой не может удовлетворить даже полностью законченный интегрированный прибор. И одним из возможных выходов из ситуации является проектирование на основе базового преобразователя
собственного уникального изделия.
|
Термокомпенсированные и калиброванные датчики давления (рис. 7) отличаются от базовых более сложной структурой чувствительного элемента. Они дополнительно содержат набор тонкопленочных
термисторов и резисторов, расположенных на том же кристалле, что и диафрагма, сопротивление которых подгоняется лазером в процессе изготовления сенсора. В установленном диапазоне
рабочих температур (как правило, 0…+85°С) выходной сигнал таких датчиков значительно стабильнее, а разброс начального напряжения смещения, как правило, не превышает ±1 мВ при
размахе выходного напряжения 70…100 мВ (для сравнения: разброс напряжения смещения базовых датчиков - ±20…30 мВ). Датчики, имеющие температурную компенсацию и калибровку,
пользуются наибольшей популярностью среди разработчиков, обеспечивая оптимальное соотношение цена/стабильность и простоту схем. Еще одним положительным моментом использования
данной категории датчиков является возможность замены вышедшего из строя датчика без необходимости перекалибровки устройства. Следует отметить, что эти приборы в среднем на
30–35% дороже базовых датчиков.
|
Датчики с температурной компенсацией, заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом (рис. 8) до предела упрощают задачу разработчика. Кроме цепей термокомпенсации
и калибровки смещения, на кристалле расположен усилитель, схема линеаризации характеристики и преобразователь, реализующий один из следующих стандартных типов выходного сигнала:
- пропорциональный выход по напряжению: размах выходного напряжения во всем диапазоне измеряемых давлений составляет 0,50…4,50 В (при Uп = 5 В), и линейно
зависит от напряжения питания, то есть имеется возможность в небольших пределах осуществлять регулировку размаха выходного сигнала и подстройку смещения;
-двух- или трехпроводной токовый выход: 4…20 мА при Uпит = 9…35В;
-стабилизированный выход: размах выходного напряжения во всем диапазоне лежит в пределах 1…6 В и не зависит от напряжения источника питания;
-частотный выход: как правило - 1…6 кГц во всем диапазоне давлений.
Большинство этих датчиков дополнительно содержат схемы подавления шумов источника питания, защиты от случайной смены полярности питания и его резких выбросов.
|
Диапазоны измеряемых давлений, измеряемые среды и конструктивное исполнение
|
Конструктивное исполнение датчика определяется диапазоном измеряемого давления, типом среды, в которой измеряется давление, видом измеряемого давления, специальными требованиями,
предъявляемыми к материалу корпуса датчика, классу защиты от окружающей среды, способом крепления (шасси, печатная плата, стандартные резьбовые соединения) и областью применения.
|
По диапазону измеряемых давлений датчики Honeywell можно разделить на три большие группы. Датчики малых давлений (0…250 Па,…, 0…1700 кПа), датчики средних давлений (0…1 кПа,…,
0…1000кПа) и датчики высоких давлений (0…1700 кПа ,…, 0…4150 атм (!)). В большинстве случаев номинальное давление и определяет конструкцию датчика. Датчики малых и средних давлений,
как правило, выполнены в полиамидном корпусе. Датчики высоких давлений изготавливаются в корпусе из нержавеющей стали или латуни. На рис. 9 приведен внешний вид типовых представителей
датчиков малых (а), средних (б) и высоких (в) давлений.
|
В зависимости от вида измеряемого давления датчики различаются конфигурацией портов подвода среды. Абсолютные, избыточные и вакуумные датчики имеют, как правило, один порт подвода
давления (рис. 9в сверху). Типовой представитель дифференциального типа имеет два порта подвода среды (рис. 9в снизу и 9а сверху). Что касается конструкции самих портов, то в одном и том
же семействе датчиков давления их может быть множество разновидностей. У пластиковых датчиков это прямые, конусные, плоские, резьбовые, фиксационные порты и т.д. Для металлических
датчиков - это штуцеры со стандартными типами внешней метрической или дюймовой резьбы. Необходимо отметить, что ряд датчиков Honeywell абсолютного, дифференциального, избыточного и
вакуумного типов выпускаются без портов подвода среды. У нас такие компоненты принято называть ячейками давления. Они предназначены для конструирования законченных преобразователей
давления, удовлетворяющих специфическим требованиям задачи. Типовой представитель этой группы представлен на рис. 9в вверху.
|
Среда, давление которой измеряется, и ее температура также налагают специфические требования на конструкцию прибора. Средой могу являться сухой или влажный газ, различные эксплуатационные
жидкости, в том числе и агрессивные. Практически все пластиковые датчики Honeywell предназначены для измерения давления сухих и влажных неагрессивных газов. Чувствительный
элемент у них защищен от окружающей среды различными типами силиконовых гелей. В большинстве случаев это фторосиликон. Если же датчик предназначен для работы в условиях высокой
влажности и загрязненности, то его чувствительный элемент защищается этилпропилдиеновым мономером (EPDM), чрезвычайно гибким и сверхпрочным материалом, обладающим
отличными температурными свойствами в диапазоне -60…+150° С и высокой влагостойкостью. Практически у всех металлических датчиков чувствительный элемент защищен дополнительной
металлической мембраной из латуни или нержавеющей стали. Передача давления в этом случае осуществляется при помощи слоя силиконового геля, заполняющего пространство между защитной
мембраной и сенсором. Эта 100-процентная изоляция, с одной стороны, позволяет прибору работать с множеством агрессивных газов и жидкостей (топливо, масла, эмульсии и другие эксплуатационные
жидкости). С другой - снижается время отклика и чувствительность. Например, минимальный диапазон измеряемых давлений приборов данного типа составляет 0…100PSI (0…7 атм).
|
К сожалению, в рамках одной статьи невозможно рассмотреть характеристики и особенности уже конкретных представителей датчиков давления. Однако систематизированная информация,
содержащаяся в таблице, дает наглядное представление об электрических и эксплуатационных характеристиках некоторых производящихся на данный момент семейств датчиков и в целом
отражающих всю линейку продукции Honeywell.
|
|
Более подробную информацию о датчиках давления можно найти на сайте компании Honeywell
А также запросить у официального дистрибьютора, компании Компэл
Источник статьи: 8 номер журнала "Чипньюс" за 2005 год.
|
[108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] |
|
|