Резонансный принцип измерения давления

Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании резонатора деформации в частоту колебаний.

 

 

Конструкция и схема подключения резонансного сенсора представлены на рисунке. Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло. Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения. За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частотнозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими размерами и модулем Юнга.

 

При приложении к сенсору разности давлений мембрана изгибается, в результате ее деформации собственные частоты резонаторов изменяются пропорционально приложенному давлению. Сенсор спроектирован таким образом, что один резонатор при этом растягивается, а другой сжимается. Соответственно частота первого резонатора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих частот, прямо пропорциональная разности давлений, измеряется электронным модулем датчика и по ней вычисляется разность давлений.
Дифференциально-резонансный принцип измерения и конструкция кремниевого резонансного сенсора обладают целым рядом очень важных преимуществ и обеспечивают разработчикам практически неограниченные возможности для совершенствования датчиков давления.

 

Во-первых, резонансный сенсор благодаря абсолютным упругим свойствам монокристаллического кремния не имеет гистерезиса (<0,001% измеряемой величины, в пределах пог­решности эталонных средств измерения) и практически лишен нелинейности (<0,003% измеряемой величины). Собственные частоты резонаторов (порядка 90 кГц) лежат далеко за пределами спектра промышленных шумов, что обеспечивает сенсору иммунитет к вибрации.

 

Разность давлений: ∆P ~ f₁ – f₂.
Статическое давление: Р_ст. ~ f₁΄ – f₁.
Температура: T ~ R.

 

Равнозначность сторон высокого и низкого давления:
если ∆P > 0, то f₁ > f₂;
если ∆P < 0, то f₁ < f₂.

Во-вторых, дифференциальный выходной сигнал сенсора в сочетании с очень низким коэффициентом температурного расширения кремния (<10^-5 °C^-1) обеспечивает самокомпенсацию сенсора относительно влияния температуры (<0,001%/°C) и статического давления. Поскольку резонаторы идентичны, изменение температуры и статического давления приводит к сдвигу резонансных частот на одну и ту же величину, тогда как разность давлений изменяет разность частот. Кроме того, дифференциальный резонансный сенсор позволяет одновременно измерять сразу три величины: разность давлений, статическое давление и температуру.
В-третьих, у резонансного сенсора отсутствуют факторы дрейфа, поскольку монокристаллический кремний химически инертен и не подвержен "усталости", что обеспечивает практически абсолютную стабильность. Ниже приведены результаты многолетних исследований стабильности одного из первых серийно изготовленных резонансных сенсоров.

 

В-четвертых, частотный выходной сигнал с сенсора не требует аналого-цифрового преобразования. Резонансные частоты измеряются непосредственно цифровыми счетчиками с очень высокой точностью (<0,004% в серийных датчиках).

 

 

Это позволяет сделать датчик в полном смысле слова цифровым, устранить такие традиционные проблемы, как временную и температурную нестабильность аналоговых цепей измерительного усилителя и АЦП, необходимость подстройки нуля и калибровки датчика после перенастройки шкалы (у цифрового датчика перенастройка сводится к изменению коэффициентов, используемых микропроцессором для пересчета результатов измерения в аналоговый выходной сигнал). При передаче результатов измерений по цифровым протоколам перенастройка шкалы такому датчику вообще не требуется.
Наглядным примером, демонстрирующим возможности резонансного сенсора, является его применение в цифровых калибраторах давления MT210/МТ220 с классом точности 0,01. Разумеется, рабочие средства измерения давления на резонансном принципе имеют более низкую точность, но не из-за конструктивных ограничений, а по причине сложности поверки высокоточных датчиков (при основной приведенной погрешности менее ±0,04% шкалы поверка должна производиться на рабочем эталоне давления) и недостаточной точности передачи результатов измерений через стандартный аналоговый выходной сигнал 4...20 мА.
Разработка резонансного принципа измерения стала настоящим прорывом в процессе совершенствования датчиков разности давлений. Она позволила добиться недостижимых прежде технических и метрологических характеристик датчиков, причем не путем усложнения их конструкции и технологии изготовления (различные компенсационные схемы, характеризация и т. д.), а за счет самого принципа измерений и конструкции сенсора.

Список литературы

1. Информатика: учебник.- 3-е переработанное изд. /Под ред. Н.В. Макаровой.- М.: Финансы и статистика, 2006. – 768с.

2. Ефимова О., Морозов В., Шафрин Ю. “Курс компьютерной технологии в двух томах” Москва, АБФ, 1998.

3. Голицына О.Л., Партыка Т.Л., Попов И.И. Программное обеспечение: учебное пособие.- М.: ФОРУМ: ИНФРА – М, 2006.- 432с.

4. Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник. М: ФОРУМ: ИНФРА – М, 2006.- 512с.

5. Куприянов А.Н. Основы защиты информации: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / А.И. Куприянов, А.В. Сахаров, В.А. Шевцов. – М.: Издательство центр «Академия», 2006.- 256с.

6. Шафрин Ю.А. Информационные технологии в 2ч. Ч.1: Основы информатики и информационных технологий / Шафрин Ю.А. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 316с.

7. Шафрин Ю.А. Информационные технологии в 2ч. Ч.2: Офисная технология и информационные системы/ Шафрин Ю.А.- М.: Бином. Лаборатория знаний, 2004. -316с.

8. Максимов Н.В., Попов И.И. Компьютерные сети: Учебное пособие.- М.: ФОРУМ: ИНФРА – М, 2005. 336с.

9. Гуда А.Н., Бутакова М.А., Нечитайло Н.М., Чернов А.В. Информатика. Общий курс: Учебник / Под ред. академика РАН В.И. Колесникова. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и Ко»; Ростов н/Д: Наука-Пресс, 2006. – 400 с.