Датчики давления фирмы 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.

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.

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.