Статьи

31.03.2010

Установка калибровки сканеров и датчиков давления

Установка предназначена для калибровки и поверки датчиков и сканеров давления с аналоговым или цифровым интерфейсом. Установка калибровки разработана и изготовлена компанией ООО "Трайтек Инфосистемс" (г. Саратов) по техническому заданию ООО ЭПО "Сигнал" (г. Энгельс), специализирующегося на  выпуске датчиков давления для аэро-космической промышленности.

ООО ЭПО "Сигнал" выпускает широкую номенклатуру датчиков и сканеров давления. В основе чувствительных элементов датчиков давления лежат структуры кремний на сапфире. ООО ЭПО "Сигнал"

Структуры кремний на сапфире (КНС) впервые были получены в середине 60-х годов прошлого века и сразу привлекли к себе внимание как специалистов по полупроводниковому материаловедению, так и разработчиков твердотельных микросхем. В первую очередь это было связано повышением быстродействия комплементарных структур металл-окисел-полупроводник (КМОП) на основе КНС, обусловленным сапфировой подложкой с высокими диэлектрическими свойствами, а также высокой радиационной стойкостью микросхем на основе КНС. В настоящее время основным применением структур КНС в полупроводниковом приборостроении является разработка радиационностойких микросхем, а также микросхем для оптоэлектронных систем.

Практически сразу наметилось еще одно направление использования этих структур – тензоэлектрические преобразователи (ТП) механических величин. Это направление развивалось в нашей стране сначала в НИИ Теплоприбор (г.Москва) и НИИ Измерительной техники (г.Королев), а затем в НПК "Ульяновский центр микроэлектроники и автоматизации в машиностроении" и промышленной группе "Микроэлектронные датчики" (ПГ МИДА г.Ульяновск), ПГ Метран (г.Челябинск), ООО ЭПО "Сигнал" (г.Энгельс) и других предприятиях. На базе тензочувствительных элементов КНС разработаны и серийно производятся датчики давления "Кристалл", серии датчиков "Сапфир", МИДА и др.

По сравнению с широко используемыми твердотельными кремниевыми тензочувствительными элементами с диффузионными или имплантированными тензорезисторами полупроводниковые чувствительные элементы (ПЧЭ) на основе КНС имеют ряд преимуществ. Во-первых, в ПЧЭ на основе КНС отсутствует p-n-переход, изолирующий тензорезисторы от подложки в твердотельных ПЧЭ, что позволяет в десятки раз повысить пробивное напряжение датчиков и увеличить рабочую температуру ПЧЭ. Во-вторых, структуры на КНС имеют высокую радиационную стойкость. Кроме того, технологии изготовления преобразователей механических величин с ПЧЭ на основе КНС практически не требуют чистых условий твердотельного производства. В целом применение структур КНС в тензопреобразователях оказалось настолько удачным, что абсолютное большинство датчиков давления использует чувствительные элементы на основе КНС.

Сапфир можно жестко соединять пайкой с титаном и его сплавами, поэтому в ТП силы и давления широко распространены двухслойные мембранные элементы, изготовленные из титанового сплава с напаянными на них ПЧЭ на основе КНС. Двухмембранные ТП позволяют изготавливать датчики, воспринимающую давление, из материалов отличных от титана (например, из нержавеющей стали), что расширяет возможности создания ТП давления агрессивных сред. Вместе с тем, большая разница в температурных коэффициентах расширения титана и сапфира ведет к дополнительной температурной деформации ПЧЭ, и как следствие, к дополнительной температурной погрешности ТП из-за возникающей температурной зависимости начального выходного сигнала мостовой тензосхемы, а технология пайки ПЧЭ ограничивает выбор материала для упругого элемента ТП.

Наряду с преобразователями на основе двухслойных мембран широкое распространение получили ТП, в которых упругим элементом служит сапфировая мембрана (т.е. сам ПЧЭ на основе КНС), жестко соединенная высокотемпературным стеклоприпоем с керамическим кольцом (для датчиков избыточного давления) или с керамической чашкой (для датчиков абсолютного давления). Благодаря близости температурных коэффициентов расширения алюмосиликатной керамики и лейкосапфира в одной из его кристаллографических плоскостей, такие ТП имеют значительно меньшую температурную зависимость, чем ТП с двухслойными мембранами. Но при этом для ТП с разными пределами измерений требуются ПЧЭ различной толщины, и, как правило, нелинейность таких ТП может быть сделана достаточно малой только при подаче давления со стороны тензосхемы и при определенной конфигурации и соотношении размеров. Тем не менее, такие системы могут применяться в высокоточных измерителях. Широко распространены ТП давления с двухслойными КНС из титана и сапфира, соединенных стеклоприпоем, либо мембраны из сапфира, соединенные с корпусом из нержавеющей стали.

Основными метрологическими характеристиками ТП являются нелинейность, температурная зависимость, вариация и повторяемость функции преобразования механической величины в электрический выходной сигнал тензомоста.

Первоначально задача повышения точностных характеристик ТП решалась в основном путем совершенствования конструкции и технологии изготовления датчиков и электронных схем усиления сигнала с измерительного тензомоста.

Применение современных компактных микропроцессорных систем цифровой обработки сигналов позволило существенно повысить точность датчиков за счет цифровой обработки сигнала измерительного тензомоста с учетом внешних фактров, таких как температура и вибрация.

Финишной операцией процесса производства датчиков, в немалой степени определяющей их метрологические характеристики,  является калибровка. В процессе калибровки сначала выставляется "ноль" датчика, коэффициент усиления измерительного преобразователя. Затем для каждого датчика формируются калибровочные таблицы из фиксированного набора значений измеряемых давлений и температур окружающей среды для его рабочего диапазона по давлению и температуре, позволяющие компенсировать нелинейность измерительной характеристики датчика, в том числе обусловленную эффектами гистерезиса от изменения давления и температуры.

Для реализации калибровочных операций, необходим следующий комплект основного оборудования:

  1. источник эталонного давления, позволяющий формировать с высокой точностью в широком диапазоне давление в измерительном коллекторе, к которому подключены калибруемые датчики;
  2. вакуумный насос для формирования нулевого давления датчика;
  3. камера тепла-холода, позволяющая задавать температуры окружающей среды для датчика во всем допустимом диапазоне его эксплуатации;
  4. средства измерения, позволяющие считывать показания датчика давления, выполнять их математическую обработку и запись результатов калибровки в память контроллера датчика давления.

В результате интегрирования перечисленного оборудования в единый измерительный комплекс, была разработана установка калибровки сканеров и датчиков давления, структурная схема которой представлена на рисунке 1. Фотография общего вида установки калибровки представлена на рисунке 2.

Структурная схема установки калибровки Общий вид установки калибровки

Рисунок 1. Структурная схема установки калибровки

Рисунок 2. Общий вид установки калибровки

Установка смонтирована в термостатируемом помещении. Кроме того, шкаф с контроллерами давления имеет индивидуальную систему кондиционирования. Эти меры позволяют повысить точность формирования эталонных давлений и снижают погрешность измерений параметров датчиков давления.

На рисунке 3 представлена фотография компрессора и вакуумных насосов установки калибровки. Пульт силовой, компрессор и вакуумные насосы вынесены в отдельное помещение с целью снижения уровня шума в рабочем помещении, кроме того они являются источниками тепла и их присутствие в помещении, в котором проводятся прецизионные измерения, нежелательно.

Пульт силовой, компрессор и вакуумные насосы установки калибровки

Рисунок 3. Пульт силовой, компрессор и вакуумные насосы установки калибровки

На рисунке 4 приведен фрагмент газо-вакуумной системы с датчиками давления, исполнительными и предохранительными клапанами и ресиверами.

Фрагмент газо-вакуумной системы

Рисунок 4. Фрагмент газо-вакуумной системы

На рисунке 5 приведена фотография панели, на которой смонтированы устройства связи с объектом управления, к которым непосредственно подключаются датчики и исполнительные устройства.

Устройства связи с объектом управления

Рисунок 5. Устройства связи с объектом управления

Автоматизированная система калибровки сканеров и датчиков давления условно может быть разбита на две подсистемы: управляющую и калибровочную (по типу решаемых задач). Каждая из подсистем управляется своим компьютером. Компьютеры объединены в локальную сеть Ethernet для обеспечения возможности обмена информацией и синхронизации решаемых задач.

Управляющая подсистема предназначена для управления формированием тестовых давлений и температур и реализует следующие основные функции:

  • разрешение включения компрессора и вакуумных насосов с пульта силового управления оператором. Включение и выключение компрессора и вакуумных насосов в штатном режиме выполняется оператором с пульта силового управления;
  • аварийное отключение компрессора и вакуумных насосов;
  • управление клапанами газо-вакуумной системы;
  • управление контроллерами давления, обеспечивающими тестовые давления для калибруемых датчиков;
  • управление камерами тепла-холода, обеспечивающими тестовые температуры для калибруемых датчиков;
  • контроль давлений в заданных точках газо-вакуумной системы;
  • контроль условий термостатирования в шкафу с контроллерами давления для уменьшения их температурного дрейфа.

Калибровочная подсистема предназначена для решения задачи калибровки сканеров и датчиков давления для заданных диапазонов давления и температуры и реализует следующие основные функции:

  • считывание показаний датчиков или сканеров давления, для которых задано эталонное измеряемое давление  и температура окружающей среды;
  • формирование для каждого датчика калибровочных таблиц из фиксированного набора измеряемых давлений и температур окружающей среды и запись этих таблиц в память контроллеров калибруемых датчиков или сканеров давления, при этом возможно формирование: линейной, экспоненциальной, Чебышевской или пользовательской шкал датчиков давления;
  • поверка  откалиброванных датчиков в заданных диапазонах давлений и температур.

Управляющая часть системы управления установкой калибровки состоит из следующих основных узлов:

  • промышленного компьютера фирмы Advantech (Тайвань) с интерфейсными картами дискретного ввода/вывода и RS232/RS485 портов.
  • APC - источника бесперебойного питания;
  • пульта управления оператора, реализованного с помощью цветного графического монитора, клавиатуры и манипулятора типа "мышь" фирмы;
  • четырех контроллеров давления DPI-520 фирмы Druck (Великобритания), реализующих источник эталонного давления с перекрывающимися диапазонами: 0-0.35bar,  0-3.5bar,  0-35bar,  0-70bar, управляемых по интерфейсу RS-232;
  • источника давления – компрессора Poseidon фирмы Bauer (Австрия);
  • источника вакуума – трех вакуумных насосов фирмы Varian (США);
  • двух камер тепла-холода фирмы Espec (Япония), создающих тепловой режим окружающей среды эксплуатации датчиков, управляемых по интерфейсу RS-485;
  • 8 датчиков давления в контрольных точках газо-вакуумной схемы установки с токовым выходом 4…20мА и модуля ADAM-4019+, реализующих преобразование токовых сигналов в цифровой код и его передачу  по интерфейсу RS-485;
  • трех вакуумметров Eyesys фирмы Varian (США) с интерфейсом RS-485 реализующих измерения глубины вакуума в заданных точках газо-вакуумной системы.

Калибровочная часть системы управления состоит из следующих основных узлов:

  • промышленного компьютера фирмы Advantech, с интерфейсной картой, реализующей интерфейс RS-485 для связи с калибруемыми сканерами и датчиками давления;
  • пульта управления оператора, реализованного с помощью цветного графического монитора, клавиатуры и манипулятора типа "мышь";
  • многоканального вольтметра Agilent Technologies (США) для измерения выходного аналогового сигнала калибруемых датчиков давления;
  • коммутатора интерфейса RS-232 MOXA Technologies (США) для организации связи с многоканальным вольтметром и контроллерами калибруемых датчиков давления.

Прикладное программное обеспечение имеет удобный графический интерфейс, представленный на рисунках 6 и 7, используя  который, оператор установки калибровки дистанционно управляет включением компрессора, вакуумных насосов, клапанами газо-вакуумной системы, задает требуемые эталонные давления и температуры. Калибровка датчиков может выполняться в ручном или автоматизированном режимах.

Панель управления установкой калибровки Панель управления калибровкой сканеров давления

Рисунок 6. Панель управления установкой калибровки

Рисунок 7. Панель управления калибровкой сканеров давления

Программное обеспечение реализует достаточно развитую систему самодиагностики установки калибровки и защиты калибруемых датчиков от подачи избыточного давления. При работе установки калибровки ведется журнал событий, в котором протоколируются все действия оператора и работа оборудования, что облегчает поиск и устранение неисправностей в системе. Используя дополнительные панели управления, обслуживающий персонал имеет возможность проводить тестирование и настройку отдельных компонент установки калибровки и самой установки в целом.

Установка калибровки  имеет следующие основные параметры:

  • диапазон изменения эталонного давления, bar -  0 … 70bar;
  • точность задания давления, % - 0,05 от текущего программного значения в диапазоне 0.035…70bar;
  • формирование опорного вакуума, bar - 7.0х10-6;
  • диапазон задания температуры, °С – минус 40 ÷ плюс 80;
  • точность задания температуры, °С – ±0.1;
  • количество камер тепла-холода, шт. - 2;
  • количество выходных каналов по давлению для камеры тапла-холода, шт.- 5;
  • количество типов датчиков, имеющих разный рабочий диапазон измеряемых давлений, допускающих одновременную калибровку, шт.- 5;
  • количество одновременно калибруемых сканеров давления, шт.- 8 (загрузка в две камеры тепла-холода по 4 сканера);
  • количество одновременно калибруемых датчиков давления, шт.-  20 (загрузка в две камеры тепла-холода по 10 датчиков);
  • интерфейсы связи с датчиком - аналоговый или цифровой (RS232, RS485).

Установка калибровки сканеров и датчиков давления находится в промышленной эксплуатации на предприятии ООО ЭПО "Сигнал" (г.Энгельс), и используется для калибровки и проведения поверочных испытаний выпускаемой предприятием серийной продукции. Внедрение установки позволило исключить "человеческий фактор ошибок" при калибровке датчиков и повысить производительность за счет автоматизации процесса калибровки.   Внедрение установки позволило заказчику аттестовать выпускаемые им приборы на уровне мировых стандартов и выйти на международный рынок со своей продукцией. Следует отметить гибкость настройки установки калибровки, что позволяет адаптировать ее под новые идеи разработчиков перспективных датчиков ООО ЭПО "Сигнал".

Батурин В.В., Ефентьев А.Ф., Ефимов Р.П., Малкин О.Э.
ООО "Трайтек Инфосистемс"

Афанасьев Ю.В., Солотов В.А.
ООО ЭПО "Сигнал"


Вернуться в список новостей