Датчики давления с тензопреобразователями (ТП) на основе структур «кремний на сапфире» (КНС) широко распространены на отечественном рынке датчиковой аппаратуры. Однако сильная температурная зависимость выходного сигнала ТП препятствует широкому их применению в высокоточных датчиках давления. Для уменьшения температурной погрешности ТП разработано большое количество методов, которые можно разделить на несколько групп: физико-технологические, конструктивные и схемотехнические. Схемотехнические методы дополнительно могут быть классифицированы на пассивные и активные, аналоговые и цифровые.
В настоящее время наибольший интерес среди всех методов компенсации температурной погрешности представляют цифровые методы, которые сформировалась недавно и которые при трудоемкости, соизмеримой с традиционными схемотехническими методами, позволяют более чем вдвое повысить точность измерения. В основе всех цифровых методов лежит метод вспомогательного измерения температуры ПЧЭ с последующей коррекцией результата измерения по заранее определенным формулам. В случае ТП на основе КНС в качестве температурного элемента может использоваться сама тензосхема, сопротивление функционально связано с температурой первичного преобразователя.
Результаты испытаний единичных образцов датчиков давления, в которых реализован цифровой метод компенсации температурной погрешности, говорят о возможности уменьшения погрешность измерения до 0,1 % и ниже во всем рабочем диапазоне температур. Однако при серийном производстве получение подобных результатов затруднительно (в среднем погрешность измерения для датчиков с цифровым выходным сигналом равна 0,076 %; для датчиков с аналоговым выходным сигналом – 0,18 %)
Из результатов экспериментальных исследований следует, что использование стандартного полинома (1) при n=k=2 позволяет получать датчики с погрешностью измерения не более 0,075 % в рабочем диапазоне температур. Повышение степени полинома с соответствующем увеличением числа измерений не приводит к существенному увеличению точности измерения, что обусловлено сложными температурными зависимостями составляющих используемого полинома, описание которых возможно либо при использовании полиномов со степенями выше 4, либо при использовании другого математического аппарата. Оценка влияния отдельных составляющих выражения на результирующую погрешность измерения давления затруднена из-за отсутствия четко выраженного их физического смысла.
Из результатов измерений также следует, что температурные зависимости начального выходного сигнала и диапазона (чувствительности) ТП, представленные в отсчетах АЦП, полностью повторяют соответствующие зависимости отдельно взятого ТП и с достаточной точностью могут быть описаны полиномом второй степени. Повышение степени полинома способствует существенному повышению точности аппроксимации указанных зависимостей, но требует соответствующего увеличения числа измерений.
Температурная зависимость нелинейности функции преобразования ТП, представленная в отсчетах АЦП, имеет сложный характер и должна быть учтена при разработке датчиков с погрешностью измерения не более 0,05 %.
Основной вклад в данную зависимость вносит нелинейность измерительной схемы ВП.
Исходя из результатов выполненных расчетов следует, что повышение точности датчиков возможно только при условии увеличения числа температур, на которых проводится калибровка прибора минимум до шести. При этом применение МО на основе полиномиального представления прямой функции преобразования ТП позволяет получить чуть более высокую точностью измерения по сравнению с вариантом использования МО на основе обратной функции преобразования требует дополнительной операции решения уравнения с одним неизвестным для нахождения значения давления, что увеличивает время обработки сигналов ТП и формирования результатов измерения или требует замены, используемого в настоящее время, микроконтроллеров (МК) на более производительный.
Как в случае МО на базе обратной функции преобразования ТП, так и в случае прямой функции преобразования ТП наиболее перспективным для реализации является подход с использованием полиномиальных сплайнов, т. к. данный тип кривых позволяет наилучшим образом описать составляющие функций. Применение других методов аппроксимации возможно, но они либо требуют значительно большего объема исходных данных (например, использование систем ортогональных полиномов и расчетом их коэффициентов по минимаксному критерию), либо существенно большего числа операций для последующего вычисления значения давления (например, вариант использования полиномов Чебышева и Форсайта). Кроме того, возможна комбинация различных методов аппроксимации составляющих базовой функции.
Для уменьшения погрешности измерения температуры, на которых выполняется калибровка датчика, должны быть равномерно расположены в рабочем диапазоне температур прибора, иначе возникает сильный перекос зоны температурной погрешности датчика. При этом в той части, где значения температур расположены ближе друг к другу, наблюдается существенное уменьшение величины температурной погрешности.
Получение датчиков с погрешностью измерения ±0,05 % возможно при использовании МО как на основе прямой, так и на основе обратной функций преобразования ТП в случае. Для описания составляющих должны быть использованы параболические или кубические сплайны.
Результаты теоретических расчетов подтверждаются результатами, полученными при экспериментальных исследованиях разработанного МО на серийных образцах датчиков давления. Точность измерения в ±0,05 % достижима как при использовании разработанного МО на базе полиномиального представления обратной функции преобразования ТП с
аппроксимацией составляющих с помощью параболических и кубических сплайнов, так и МО на базе полиномиального представления прямой функции преобразования ТП с аппроксимацией составляющих с помощью параболических и кубических сплайнов. Оба варианта МО дают в целом одинаковые результаты и требуют проведения калибровки на семи температурах. Уменьшение числа температур, на которых выполняется калибровка, возможно только при совместном использовании данных калибровки и результатов первых испытаний ТП.
Кроме температурной коррекции результата измерения МК может быть использован для реализации цифровых методов фильтрации сигналов ТП,
которые, как показали проведенные исследования, в целом дают те же
результаты, что и традиционные схемотехнические решения.
90 страниц
93% уникальность
2014 год
108 просмотров
