Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современные электронные приборы измерения давления (Обзор) 12
1.1 Состав и построение измерительного преобразователя давления. Вопросы терминологии 12
1.2 Типы сенсоров давления 15
1.2.1 Манометрические сенсоры 15
1.2.2 Мембранные сенсоры с металлическими тензорезисторами 17
1.2.3 Полупроводниковые сенсоры 20
1.2.4 Емкостные сенсоры 25
1.2.5 Другие типы сенсоров 30
1.3 Погрешности измерения и пути их уменьшения 34
1.3.1 Методы оценки погрешностей измерения измерительных преобразователей давления 34
1.3.2 Пути уменьшения погрешностей измерения 37
1.4 Квалиметрический анализ датчиков давления 43
1.4.1 Методика оценки качества датчиков давления 43
1.4.2 Составление первоначального списка показателей 47
1.4.3 Определение системы (номенклатуры) единичных показателей 47
1.4.4 Ранжирование и определение коэффициентов весомостей единичных показателей качества 49
1.4.5 Определение значений базовых единичных показателей качества 51
1.4.6 Определение значений единичных показателей качества оцениваемых образцов 52
1.4.7 Результаты оценки качества датчиков давления 52
1.5 Выводы по первой главе. Выбор объекта исследований и методов разработки 54
Глава 2 Исследования сенсоров давления 57
2.1 Исследования КНС-сенсоров давления 57
2.1.1 Определение долговременной стабильности КНС-сенсоров давления 57
2.1.1.1 Краткое описание испытательного оборудования 60
2.1.1.2 Программа испытаний 60
3.1.1.4 Результаты исследований 67
2.1.2 Определение температурной погрешности КНС-преобразователей давления 69
2.2 Создание и исследования емкостных кремниевых сенсоров давления 75
2.2.1 Конструкция оригинального емкостного сенсора давления 75
2.2.2 Результаты испытаний емкостных сенсоров давления 80
2.3 Разработка и исследование кремниевых сенсоров давления мультипликативного типа 86
2.3.1 Мультипликативный принцип измерения давления 86
2.3.2. Конструкция оригинального сенсора давления мультипликативного типа 89
2.3.3 Оценка технических параметров мультипликативного сенсора 93
2.3.4 Результаты испытаний мультипликативного сенсора на воздействие быстропеременного давления 97
2.4 Выводы по второй главе 98
Глава 3 Исследования математической модели, описывающей передаточную функцию тензорезисторного сенсора давления 100
3.1 Потенциальная точность алгоритмического метода коррекции погрешностей сенсора давления 101
3.2 Определение адекватной математической модели 106
3.2.1 Методика проведения исследований 107
3.2.2 Проведение градуировочпых экспериментов для получения исходных данных 108
3.2.3 Постановка задачи аппроксимации и определение критерия оценки математических моделей 112
3.2.4 Результаты «спора математических моделей» 117
3.2.5 Проверка адекватности математической модели 121
3.3 Разработка методики градуировки цифровых ИПД 126
Выводы по третьей главе 128
Глава 4 Исследования и разработка новых электронных ИПД 129
4.1 Исследования и разработка аналогового датчика давления ДМ5007 129
4.1.1 Оборудование и использованные методы при исследовании датчика давления ДМ5007 129
4.1.2 Достоинства и недостатки существующих технических решений 130
4.1.3 Расчет и моделирование схемы электрической принципиальной датчика давления ДМ5007 133
4.1.4. Методика настройки датчика давления 144
4.1.5 Результаты применения схемотехнического метода и методики настройки при изготовлении опытной партии датчиков давления 145
4.1.6 Определение границ погрешностей результата измерения давления 150
4.2 Исследования и разработка цифрового датчика давления ДМ5007МП 156
4.2.1 Структурная схема датчика давления 156
4.2.2 Результаты исследований метрологических характеристик датчиков давления 158
4.3 Исследования и разработка цифрового манометра ДМ5002 166
4.3.1 Структурная схема цифрового манометра. Описание режимов работы. 166
4.3.2 Алгоритмическое и программное обеспечение цифрового манометра 169
4.3.3 Результаты исследований метрологических характеристик цифровых манометров 171
4.4 Разработка цифрового манометра ДМ5001 173
4.4.1 Структурная схема цифрового манометра ДМ5001 173
4.4.2 Описание режимов работы цифрового манометра ДМ5001 175
4.5 Разработка автоматизированного рабочего места для работы с датчиками давления и цифровыми манометрами 178
4.6 Квалиметрический анализ разработанных ИПД 183
4.6.1 Цель и методы квалиметрического анализа разработанных ИПД 183
4.6.2 Таблицы абсолютных единичных показателей качества разработанных ИПД 184
4.6.3 Таблицы относительных показателей качества разработанных ИПД 184
4.6.4 Определение комплексных показателей качества разработанных ИПД 185
4.6.5 Выводы по квалиметрическому анализу разработанных ИПД 186
4.7 Выводы по четвертой главе 186
Заключение 189
- Методы оценки погрешностей измерения измерительных преобразователей давления
- Определение температурной погрешности КНС-преобразователей давления
- Постановка задачи аппроксимации и определение критерия оценки математических моделей
- Расчет и моделирование схемы электрической принципиальной датчика давления ДМ5007
Введение к работе
Давление является одним из важнейших параметров, контролируемых в
технологических процессах практически всех отраслей народного хозяйства:
предприятиях нефтедобывающего и перерабатывающего комплекса,
современной энергетики, в т.ч. атомной, металлургии, пищевой
промышленности, машиностроения и других отраслей, а также в научных
исследованиях, к примеру, в геофизических. Во всех этих случаях измерение
давления с более высокой точностыо повышает достоверность получаемых
результатов измерения. Потребность в приборах измерения давления
предприятиями развивающейся промышленности постоянно нарастает и
одновременно требует развития их функциональных возможностей, прежде
всего встроенных средств передачи данных - аналоговых и цифровых
интерфейсов для работы в системах, а также повышения точности. Это
достигается применением новых конструкций измерительных
преобразователей, схемотехнических решений, а также средств современной цифровой электроники и алгоритмических методов коррекции погрешностей. Вопросы повышения точности измерений, повышения долговременной стабильности метрологических характеристик, расширения функциональных возможностей преобразователей и снижения себестоимости являются закономерными в постоянном эволюционном процессе развития и совершенствования измерений. Данная диссертационная работа посвящена исследованиям, направленным создание новых современных средств измерения давления.
Целью работы является исследование и разработка аналоговых и цифровых высокоточных измерительных преобразователей давления (ИПД).
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Проведение сопоставительного анализа отечественных и зарубежных приборов для измерения давления и обзора существующих технических решений в этой области.
Исследование метрологических характеристик тензорезистивных сенсоров давления для получения данных о долговременной стабильности градуировочных характеристик.
Создание новых конструкций сенсоров давления, отличающихся повышенной стабильностью, высоким быстродействием, улучшенными весогабаритными параметрами, возможностью массового производства, приемлемой стоимости.
Исследование и разработка схемотехнических и алгоритмических методов уменьшения погрешностей сенсоров давления, позволяющих кардинально уменьшить основную и дополнительные погрешности сенсора и позволяющей создать высокоточные ИПД.
Разработка образцов новых высокоточных приборов, ориентированных на серийное освоение. Исследование их характеристик, в том числе проведение опытной эксплуатации для практического подтверждения правильности разработанных решений.
Методы выполнения исследований и оборудование для их
проведения. Теоретическая часть работы выполнена с использованием
методов: теории вероятностей и математической статистики, теории
погрешности, классической теории электрических цепей, математического
моделирования и численных методов решения нелинейных алгебраических
уравнений. При экспериментальных исследованиях использовалось
технологическое оборудование ОАО «Манотомь» и ОАО «НИИПП» (г.Томск),
ФГУП «СибНИИА им. Чаплыгина» (г.Новосибирск), ООО «Сибирская
геофизическая компания». В ряде случаев исследования выполнялись на
оборудовании регионального центра метрологии и стандартизации ФГУ
«Томский ЦСМ».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. На основе квалиметрического анализа большого массива современных приборов измерения давления ведущих отечественных и зарубежных фирм установлено, что наиболее перспективными для разработки и серийного производства являются измерительные преобразователи давления
(ИПД) с емкостными и тензорезистивными сенсорами со структурой «кремний на изоляторе» (в частности «кремний на сапфире»).
Предложены и исследованы новые конструкции емкостных сенсоров на основе кремниевых профилированных мембран. ИПД на основе таких сенсоров обеспечивают измерение давления с погрешностью не хуже ОД %.
Предложена и исследована оригинальная конструкция кремниевого мультипликативного сенсора давления. Мультипликативные сенсоры могут применяться в ИПД для измерения давлений в диапазоне частот от статики до 300 4- 400 кГц.
Использование разработанных математических и схемотехнических методов коррекции погрешностей тензорезистивных сенсоров давления позволяет создавать аналоговые ИПД с основной погрешностью измерения 0,18 % и цифровые ИПД с суммарной погрешностью измерения 0,1 % во всем диапазоне рабочих температур.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
Проведенный квалиметрический анализ современных отечественных и зарубежных ИПД, позволил определить объективный уровень качества ИПД. Разработана новая методика квалиметрического исследования, отличие которой от существующих заключается в том, что, во-первых, в качестве базовых показателей использованы показатели качества идеального современного датчика давления (имеющего лучшие характеристики по всем показателям); во-вторых, ранг приборов определяется как среднее арифметическое значений рангов, рассчитанных с использованием пяти различных целевых функций.
Предложены новые конструкции емкостных сенсоров давления на основе кремниевых профилированных мембран с использованием механических свойств кремния. Созданы и исследованы опытные образцы сенсоров.
Предложена новая конструкция кремниевого сенсора давления, использующая безмембранный мультипликативный принцип измерения давления. Созданы и исследованы опытные образцы таких сенсоров.
Теоретически исследованы различные классы функций для описания передаточной функции сенсоров давления со структурой «кремний на сапфире». Разработана математическая модель, описывающая с высокой
7 точностью передаточную функцию сенсоров данного типа. Адекватность математической модели подтверждена экспериментальными исследованиями. Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Проведенные исследования сенсоров давления со структурой «кремний на сапфире» позволили получить достоверные данные о долговременной стабильности сенсоров. Результаты этих исследований позволили обоснованно устанавливать межповерочный интервал на ИПД с сенсорами данного типа.
Предложенный схемотехнический метод компенсации температурной погрешности сенсоров давления со структурой «кремний на сапфире» применен в датчике давления ДМ5007. Датчики внедрены в серийное производство, эксплуатируются на более чем 20 предприятиях.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертации использованы при разработке цифровых манометров ДМ5001 и ДМ5002. Приборы внедрены в серийное производство. В настоящее время цифровые манометры ДМ5001 эксплуатируются на более 80 предприятиях, цифровые манометры ДМ5002 - на 10 предприятиях. Цифровой манометр ДМ5001 защищен патентом РФ на изобретение.
Применение разработанной математической модели и разработанной методики градуировки ИПД в цифровом датчике давления ДМ5007МП позволили создать датчик давления, суммарная погрешность измерения которого во всем рабочем диапазоне температур не превышает 0,1 %. Опытная партия цифровых датчиков давления ДМ5007МП в составе скважинных приборов «Геофит КП-90» успешно эксплуатируется на нефтепромысловых объектах ООО «Сибирская геофизическая компания» при исследовании скважин.
При исследовании разрабатываемых приборов разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) для настройки и градуировки цифровых ИПД. АРМ используется при производстве серийных цифровых ИПД на ОАО «Манотомь».
Достоверность результатов теоретических исследований и выводов
подтверждена экспериментальными исследованиями в аккредитованных Госстандартом испытательных центрах ОАО «Манотомь», ОАО «НИИПП» (г.Томск), ФГУП «СибНИИА им. Чаплыгина» (г.Новосибирск), Томского центра сертификации и метрологии, Государственного центра испытаний
8 средств измерений ВНИИМС Госстандарта РФ (г.Москва), разработок -сертификатами утверждения и соответствия типу средств измерений, опытной эксплуатацией созданных ИПД на Томском ОАО «Манотомь», результатами эксплуатации приборов у потребителей, а также патентами РФ на изобретения.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на межрегиональной научно-технической конференции студентов и молодых ученых в ТУСУР (Томск, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления» в Томском государственном университете систем управления радиоэлектроники (Томск, 2002), на IX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2003), на международном симпозиуме «Новые материалы в сенсорных приложения» научной сессии Европейского сообщества по исследованию материалов (г.Страсбург, Франция, 2003), на Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2003), научных семинарах опытно-конструкторского бюро ОАО «Манотомь» и кафедры промышленной и медицинской электроники ТПУ.
Личный вклад автора заключается в выполнении всех теоретических и практических исследований, изложенных в диссертации, разработке программ испытаний, проведении испытаний, обработке результатов испытаний емкостных, мультипликативных сенсоров давления и сенсоров со структурой «кремний на сапфире» (КНС-сенсоров), исследовании измерительных преобразователей, проведении квалиметрического анализа датчиков давления, исследовании математических моделей для описания передаточной функции КНС-сенсоров давления, разработке методики градуировки цифровых ИПД, разработке схем электрических принципиальных и программного обеспечения датчиков давления ДМ5007, ДМ5007МП, цифровых манометров ДМ5001 и ДМ5002, разработке программного обеспечения для настройки и градуировки цифровых ИПД. Постановка задач исследований и общее руководство
9 проводилось совместно проф., д.т.н. Г.С. Евтушенко и к.т.н. Ю.Г. Свинолуповым. Разработка приборов велась под руководством к.т.н., начальника ОКБ ОАО «Манотомь» Ю.Г. Свинолупова, новые конструкции емкостных и мультипликативного сенсоров давления разработаны при научном руководстве заведующего лабораторией микроэлектронных сенсоров ОАО НИШ 111 д.т.н. Н.П. Криворотова.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 268 наименований, пяти приложений. Работа содержит 214 страниц основного текста, 42 таблицы, 56 рисунков, 172 формулы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 3 статьи в центральных отечественных изданиях, 1 статья в зарубежной печати, 4 статьи в сборниках статей, 8 тезисов докладов, 3 патента РФ на изобретение. Результаты исследований и разработок изложены также в отчетах о НИОКР и технической документации на разработанные ИПД.
Содержание работы
Во введении обсуждается актуальность работы, сформулированы цель, задачи исследования и защищаемые положения.
Дается общая характеристика работы, отмечается практическая значимость и научная новизна.
В первой главе проведен литературный обзор принципов измерения давления и построения средств измерения давления, методов оценки и уменьшения погрешностей датчиков давления, проведен квалиметрический анализ выпускаемых серийно отечественной и зарубежной промышленностью ИПД, определены наиболее значимые показатели качества ИПД, получены комплексные оценки уровней качества известных ИПД, выявлены лидеры, сформулированы направления исследований и задачи диссертации.
Во второй главе приведены результаты исследований сенсоров давления, описаны конструкции сенсоров оригинальной разработки. Исследованы тензорезисторные КНС-преобразователи давления серийного производства.
10 Проведенные исследования были направлены на получение достоверных данных о долговременной стабильности тензорезисторных КНС-преобразователей, результаты исследований позволили обоснованно устанавливать межповерочный интервал и период коррекции метрологических характеристик ИПД на основе КНС-сенсоров. Исследованы метрологические характеристики новых емкостных сенсоров давления оригинальной конструкции. Рассмотрена структурная схема датчика давления на основе емкостного сенсора. Показано, что емкостной сенсор оригинальной разработки может быть применен для построения высокоточных ИПД. Исследованы новые мультипликативные сенсоры на воздействие статического и ударного давлений. Показано, что мультипликативные сенсоры имеют высокую повторяемость электрических характеристик и могут быть применены в ИПД для измерения быстропеременного давления.
Третья глава посвящена исследованиям, направленным на определение адекватной математической модели, описывающей передаточную функцию КНС-сенсоров давления, учитывающую нелинейность и температурную зависимость выходной характеристики КНС-сенсоров. Исследовано более двухсот различных математических моделей, определена двухфакторная математическая модель, описывающая передаточную функцию питаемого постоянным током КНС-сенсора. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие адекватность математической модели. Предложена методика градуировки цифровых ИПД, применение которой совместно с использованием предложенной математической модели позволяет производить измерения давления с приведенной погрешностью, не превышающей 0,1 % во всем диапазоне изменения давления и температуры.
В четвертой главе приведены практические результаты исследований и разработки аналоговых и цифровых ИПД, в основу которых положены полученные результаты теоретических исследований. Предложен и исследован схемотехнический метод компенсации температурной погрешности ТП,
применение этого технического решения в датчике давления ДМ5007 позволило на основании исследований датчиков производить датчики давления класса точности 0,25 с хорошим метрологическим запасом. Приведены результаты исследований цифровых датчиков давления ДМ5007МП и цифровых манометров ДМ5001 и ДМ5002, подтверждающих правильность разработанных технических решений. Кратко рассмотрено разработанное автоматизированное рабочее место, предназначенное для настройки, градуировки и проведения исследований цифровых ИПД. Проведен квалиметрический анализ разработанных ИПД, определен уровень качества приборов.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации. В приложении А представлены (частично) таблицы метрологических и эксплуатационных характеристик современных ИПД, в приложении Б - показатели качества ИПД, в приложении В - результаты исследований КНС-сенсоров давления, в приложении Г — перечень организаций, эксплуатирующих разработанные ИПД, в приложении Д - акты внедрения результатов диссертационной работы.
Методы оценки погрешностей измерения измерительных преобразователей давления
Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии [154-156, 26]. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные.
Все конструкции резонансных сенсоров можно разделить на две группы: комбинированные сенсоры с УЭ (например, [154]) и датчики с барочувствительными элементами, выполняемыми полностью из пьезокристаллического материала, обычно из пьезокварца [157-160].
Работы по созданию пьезорезонансных сенсоров давления в нашей стране ведутся на ряде предприятий и организаций: завод «Измеритель» (г.Санкт-Петербург), ЗАО Инновационный центр новых технологий (г.Зеленоград), ООО «СКТБ ЭлПА» (г.Углич), МИФИ, НИИ Теплоприбор (г.Москва), АО «Пирамида» (г.Смоленск), АО «Теплоконтроль» (г.Сафоново Смоленской обл.), Производственно-коммерческое предприятие «Инсенс» (г.Москва), АО «Теплоприбор» (г.Рязань), НИИ «Фонон» (г.Москва), НИИФИ, НКТБ «Пьезоприбор» и др.
В работах [161, 162] представлен обзор отечественных и основных зарубежных разработок пьезорезонансных ЧЭ, сообщается о том, что серийно выпускаются зарубежные ЧЭ и созданы условия для отечественного промышленного производства. В настоящее время на основе пьезорезонансных тензопреобразователей созданы и выпускаются ИПД: ПДК-01, цифровой манометр ДММ105С [163], «Кварц-ДИ» [158, 164], ПИД [165], МДД-К [166] и др.
Достоинствами пьезорезонансных сенсоров являются высокая точность и стабильность характеристики по времени, малые размеры, выходной сигнал естественно трансформируется в цифровую форму. К недостаткам необходимо отнести неосвоенность серийного производства, необходимость защищать ЧЭ от среды измерения, что приводит к потере точности, высокая стоимость, большой разброс характеристик у ЧЭ (индивидуальная характеристика преобразования), снижение добротности, стабильности и точности при сочленении резонатора с элементами конструкции.
Известны работы [167-169] по исследованию и разработке сенсоров с использованием зависимости частоты и скорости распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) от деформации упругого элемента. Генератором и приемником ПАВ обычно служат так называемые встречно-штыревые преобразователи (ВШП) в виде гребенчатых металлических электродов-штырей, напыляемых на поверхность пьезокристалла или пьезопленку, нанесенную на поверхность монокристалла металла или диэлектрика (кремния, сапфира и др.). Резонансная частота ВШП определяется шагом штырей и скоростью распространения волн в упругой подложке. При деформации подложки изменение резонансной частоты прямо пропорционально деформации. Хотя чувствительность невелика (0,6-0,8 в зависимости от материала подложки), сравнительно высокая временная стабильность ПАВ позволяют успешно использовать дифференциальные схемы и получать при частоте генерации в несколько сотен мегагерц диапазон изменения выходной частоты в несколько десятков килогерц [170]. Линейная зависимость выходного сигнала от температуры облегчает компенсацию температурной погрешности. К достоинству ПАВ преобразователей давления можно отнести их технологическую совместимость с планарной технологией интегральных схем.
Известны разработки и серийно выпускаются датчики давления, в которых применен индуктивный метод преобразования. В НИИФИ разработан ряд датчиков дифференциального давления [171] с пределами измерения 0,03-0.5 МПа. Основная погрешность 0.5-3 %. Температурный диапазон применения от -100 до +100 С. Первичный преобразователь датчика ДРИ 088 содержит подвижную ферромагнитную втулку, жестко связанную с мембраной, две электрически связанные обмотки, включенные через постоянные (манганиновые) сопротивления в мостовую схему, которая питается переменным напряжением частотой 10 кГц. При перемещении мембраны ферромагнитная втулка перемещается относительно обмоток, и их индуктивности изменяются на равные величины с разным знаком. Происходит разбаланс мостовой схемы, напряжение на ее выходе пропорционально измеряемому давлению.
Известны работы по созданию волоконно-оптических датчиков давления [172-180]. В работе [172] описан датчик давления на основе волоконных световодов. Физический принцип преобразования заключается в том, что внешнее исследуемое поле воздействует на показатель преломления световода или такому же воздействию подвергается его геометрическая длина. При этом происходит модуляция оптического излучения, распространяющегося по световоду. ЧЭ собран на основе двухкомпонентного двухплечевого интерферометра, в котором в качестве опорного и измерительного используются W-световоды. Излучение лазерного диода вводят в интерферометр, концы световодов плотно укладывают параллельно друг другу. Световоды измерительного канала длиной 2 м наматываются на цилиндрическую катушку диаметром 30 мм. При помещении катушки в область меняющегося гидростатического давления мода световода получает дополнительный фазовый сдвиг, вызванный изменением длины измерительного световода. Изменение фазы в одном из плеч интерферометра приводит к относительному смещению интерференционной полосы. Обработка сигнала волоконно-оптического датчика заключается в проецировании интерференционных картин на фотоприемные устройства, предварительном усилении сигналов, построении автокорреляционной функции. Экспериментально найдена чувствительность, она составила 65-10 6--1 -1.
В работе [174] описано применение волоконно-оптического датчика для измерения давления в крупных кровеносных сосудах. Сенсор содержит катетер со световодами, заканчивающийся танталовой мембраной. Датчик работает следующим образом. От светодиода по осветительным световодам излучение попадает на мембрану и, отражаясь от нее, поступает в приемные световоды и фотодиод. Количество света, попадающее в приемные световоды, зависит от расстояния между световодами и мембраной. Под действием давления мембрана прогибается, уменьшая или увеличивая это расстояние и изменяя количество света, попадающее в приемные световоды.
Определение температурной погрешности КНС-преобразователей давления
Зависимость напряжения моста UM тензопреобразователя от температуры многократно превышает зависимость UM ОТ давления. Таким образом, напряжение моста может быть использовано в качестве информативного параметра при измерении температуры тензопреобразователя для реализации компенсации дополнительной температурной погрешности датчика. Таким образом, обобщая вышеизложенное, подведем основные выводы этого раздела: Смещение нуля выходной характеристики КНС-преобразователей, вызванное изменением температуры, достигает значения 1 % /10 С; Изменение диапазона выходной характеристики КНС-преобразователей, вызванное изменением температуры, достигает значения 0,8 % /10 С; Среднее значение нелинейности выходного сигнала КНС преобразователей составляет 0,13 %; Зависимость полного сопротивления моста (напряжения в питающей диагонали тензопреобразователя) от температуры в среднем составляет 0,8%/10 С. Разработка оригинальных емкостных сенсоров преследовала своей целью создание первого отечественного сенсора, отличающегося высокой точностью, стабильностью, современными весогабаритными характеристиками, приемлемой стоимостью. Для достижения поставленной цели в разработке решались следующие основные задачи, которые были сформулированы ранее в работах [242-245]: - достижение высокой механической добротности подвижного электрода; - снижение влияния температуры на емкость сенсора; - уменьшение паразитных емкостей. Первая задача решалась исполнением подвижного электрода в виде мембраны из толстой (500 мкм) глубоко профилированной (до толщины гибкого участка 10ч-40 мкм) пластины монокристаллического кремния, периферия которой усилена столь же толстыми рамками из монокристаллического кремния. Вторая задача решалась исполнением неподвижных обкладок конденсатора из пластин боросиликатного стекла с близким к кремнию КТР и механической развязкой мембранного блока с металлическим корпусом сенсора посредством герметизации первого в соответствующей выточке второго тонким слоем эластичного кремнийорганического компаунда. Третья задача решалась путем замены известного метода сплошной коммутации неподвижных обкладок с периферией мембраны через тонкие слои изолятора [246] на их коммутацию с локальными выступами мембраны.
Мембрана с жестким центром 1 (рис.2.10-а) получена двухсторонним анизотропным травлением пластины кремния n-типа проводимости. Высота восьми выступов 2 задает исходные ширины емкостных зазоров « 5 мкм. На обе стороны мембраны напылены: по периферии - тонкие (« 2 мкм) пленки боросиликатного стекла 3; на жесткий центр - слои металлизации 4 (« 0,1 мкм). Металлизация центра продлена узкой дорожкой до периферии мембраны (рис.2.10-а), где осуществляется приварка микропроволочных электровыводов. На обеих сторонах центральных участков стеклянной пластины 5 (рис. 2.10-6) сформированы металлизированные площадки 6, соединенные друг с другом металлизированной дорожкой через боковую поверхность пластины. Мембранный блок (рис. 2.1 О-в) содержит мембрану 1, две кремниевые рамки 7, сформированные сквозным анизотропным травлением кремниевых пластин, и две стеклянные пластины 5. Сначала в вакууме проводится сплавление рамок с периферией мембраны при температуре размягчения стеклянных слоев 3 (600 С) под сжимающей нагрузкой 5 кг/см . Затем в атмосфере сухого азота выполняется электростатическая сварка стеклянных пластин 5 с выступами мембраны 2 [247] (1000 В, 400 С). После этого к металлизированным дорожкам на кремниевой мембране и к металлизированным площадкам на стеклянных пластинах привариваются микропроволочные электровыводы 8. Сенсор (рис. 2.10-г) содержит: цилиндрический стальной корпус 9 с двумя кольцевыми выступами 10 для сварного присоединения сенсора к корпусу ИПД и с квадратной выточкой в его перегородке, предназначенной для посадки мембранного блока; четыре металлокерамических электрогермоввода высокого давления 11, впаянных в стенку корпуса. Мембранный блок герметично упакован в перегородке корпуса силиконовым компаундом 12. Для лучшего сцепления компаунда со сталью и кремнием применены специально подобранные адгезивы (на рисунке не обозначены). Микропроволочные электровыводы 8 соединяют четыре обкладки двух конденсаторов, образованные слоями металлизации жесткого центра мембраны и металлизированными площадками стеклянных пластин, с электрогермовводами 11.
В верхней полости корпуса действует давление Рь в нижней — Р2. Разность давлений Р2 — Pi изгибает мембрану, вызывая увеличение одной из емкостей и уменьшение другой, что и служит сигналом разности давлений.
Постановка задачи аппроксимации и определение критерия оценки математических моделей
Определение математической модели включает в себя указание вида данной модели и определение значений ее параметров (коэффициентов). Задача выбора вида аппроксимирующей функции - задача не формализуемая, так как одна и та же экспериментальная кривая на данном участке примерно с одинаковой точностью может быть описана самыми разными функциями [187, 234]. При отсутствии априорных сведений о виде модели Н.Н. Вострокнутов в работе [259] рекомендует в таких случаях организовывать «спор моделей», в работе [261] также рекомендуется использовать метод «перебора различных моделей», нам представляется правильным использовать такой подход. В этом случае определение математической модели сводится к выработке критерия оценки моделей, ранжированию по выработанному критерию всех участвующих в «споре» моделей, выбору наилучшей и проверки выбранной модели на адекватность.
Главное требование, предъявляемое к математической модели - это точность описания обратной передаточной функции ТП. Следующее требование - это удобство ее (модели) последующего использования. Основное, что обеспечивает удобство использования аппроксимирующей функции, - ее компактность, которая достигается удачным выбором элементарных функций, обеспечивающих хорошее приближение при малом их числе. Кроме того, компактность способствует упрощению реализации аппроксимирующей функции в цифровом ИПД.
Учитывая, что результаты настоящей работы являются основой для создания ИПД класса точности 0,1 , установим границы суммарной погрешности описания передаточной функции сенсора давления математической моделью, равными 0,1 %. Надо сказать, что установленное нами требование к погрешности измерения жестче устанавливаемых по ГОСТ 22520 [22], а именно для ИПД класса точности 0,1 согласно указанного ГОСТ предел основной погрешности должен быть установлен 0,1 % (от диапазона измерения), а дополнительная температурная погрешность устанавливается с пределом 0,1%/10 С. Таким образом, суммарная погрешность, учитывающая основную и дополнительную температурную погрешность ИПД класса точности 0,1 в рабочем диапазоне температур (при максимальном АТ=60 С при Т=-40 С), в соответствии с ГОСТ 22520 составит ys=0,1+6-0,1=0,7 %. Введение иностранными производителями в состав метрологических характеристик «суммарной погрешности ИПД» мы считаем правильным, поскольку потребителя интересует именно погрешность ИПД в реальных условиях эксплуатации, при этом вводить поправку с учетом предела дополнительной температурной погрешности в %/ С, является некорректным ввиду нелинейной зависимости температурной погрешности о температуры.
Анализируя задачу определения модели с математической точки зрения, нетрудно видеть, что она является существенно недоопределенной и, прежде всего потому, что в настоящее время известно весьма значительное множество вещественных функций, используя которые можно добиться желаемой точности математического описания обсуждаемой нами зависимости. В частности, успешно это можно сделать, если при решении рассматриваемой задачи воспользоваться алгебраическими, тригонометрическими, экспоненциальными, логарифмическими и т.п. полиномами; дробно-рациональными функциями [235, 238-239] или дифференциальными уравнениями [240-241, 253]. Еще одной причиной существенной недоопределенности данной задачи является то, что для количественной оценки точности математического описания аппроксимации данных можно воспользоваться многими, как уже известными, так и предложенными вновь количественными характеристиками погрешности данного описания.
Как вытекает из изложенного в предыдущем абзаце, для получения математически корректной постановки рассматриваемой задачи, необходимо сделать следующее. Во-первых, выбрать класс функций, заданных с точностью до некоторого конечного набора параметров, изменяя которые можно влиять на точность получаемой аппроксимации экспериментальных данных. Во-вторых, задать какие-либо конкретные количественные характеристики погрешности данного описания. Учитывая отмеченные причины недоопределенности рассматриваемой задачи и задавшись целью устранить данные причины и, в итоге, получить корректно поставленную математическую задачу, сформируем задачу количественного описания экспериментальных данных, полученных в результате проведенных нами измерений, базируясь на следующих трех положениях.
Во-первых, будем считать, что зависимость давления Р от выходных напряжений ТП Ш и Um может быть достаточно точно описана с помощью функции где aQ,av...,an - неизвестные параметры математической модели, к определению которой и сводится задача построения данной модели.
Расчет и моделирование схемы электрической принципиальной датчика давления ДМ5007
В настоящем разделе рассмотрено практическое применение разработанного алгоритмического метода компенсации основной и дополнительной температурной погрешностей КНС-сенсора давления в цифровом датчике давления ДМ5007МП. Представлена структурная схема датчика, по результатам исследований датчиков давления ДМ5007МП определена граница суммарной погрешности результата измерения давления датчиком, показано, что использование предложенной методики градуировки и математической модели позволяет производить цифровые датчики давления, суммарная погрешность измерения давления которых не превышает 0,1 % в рабочих условиях эксплуатации.
В 2004 году на ОАО «Манотомь» был разработан цифровой датчик давления ДМ5007МП для использования в составе скважинного прибора контроля перфорации «КП-90» при исследовании нефтяных скважин на объектах ТФ ООО «Сибирская геофизическая компания». К разрабатываемому датчику были предъявлены жесткие требования к эксплуатационным и метрологическим характеристикам, а именно расширенный диапазон рабочих температур от +5 до +120 С, высокое быстродействие датчика - передача измеренного значения давления по цифровому интерфейсу должна передаваться с периодом 80 мс, потребление датчика не должно превышать 5 мА, суммарная приведенная к диапазону погрешность измерения давления не должна превышать 0,5 % во всем диапазоне рабочих температур.
На основании предъявленных требований к датчику была разработана структурная схема, схема электрическая принципиальная, выбрана соответствующая элементная база, разработан алгоритм работы и программное обеспечение. В датчике была использована разработанная математическая модель и методика градуировки.
На рис.4.15 приведена структурная схема датчика давления ДМ5007 МП. На схеме обозначено: ИТ - источник тока, ТП - тензопреобразователь, ППЗУ — энергонезависимая FLASH-память, ГС, SPI - протоколы обмена, СН — стабилизатор напряжения, МК - микроконтроллер, АМП - дифференциальный аналоговый мультиплексор, ПИУ - программируемый инструментальный усилитель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, КВУ - контроллер верхнего уровня.
Рисунок 4.15 - Структурная схема датчика давления ДМ5007 МП Датчик содержит ТП, включенный в цепь источника тока (ИТ), состоящего из прецизионного источника опорного напряжения и операционного усилителя. Выходные сигналы ТП в виде напряжений на питающей и измерительной диагоналях поступают на входы дифференциального аналогового мультиплексора (АМП), выходы которого подключены к входам программируемого инструментального усилителя (ПИУ), выходы последнего подключены ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В процессе работы микроконтроллер (МК) программным путем разновременно подключает посредством АМП ко входам ПИУ напряжения на питающей и измерительной диагоналях, нормирует напряжения до входного диапазона АЦП, оцифровывает напряжения, рассчитывает значение давления по математической модели, параметры которой определяются в процессе градуировки.
Главным узлом датчика помимо сенсора давления является микроконтроллер. На первом этапе разработки был проведен тщательный обзор существующих микроконтроллеров и сделан выбор в пользу микроконтроллера XE88LC05 фирмы XEMICS. Микроконтроллеры данной фирмы являются в настоящий момент лидерами в мире по потребляемой мощности, кроме того, развитая встроенная периферия микроконтроллера, включающая блок нормирования (усиления и смещения) входного аналогового сигнала, 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь, а также высокое быстродействие микроконтроллера позволили полностью удовлетворить предъявленные требования.
Использование разработанной методики градуировки и математической модели позволяет скомпенсировать погрешности ТП: погрешность нелинейности, температурную погрешность нуля и чувствительности. При этом основными источниками погрешностей датчика давления ДМ5007МП являются: погрешность рабочих эталонов давления, используемых при градуировке, погрешность аналого-цифрового преобразования, погрешность адекватности модели, временная нестабильность и температурная зависимость параметров компонентов датчика, а также изменение последних при циклическом воздействии температуры и давления.
Метрологические характеристики датчиков давления ДМ5007МП подтверждены испытаниями, проведенными в аккредитованном Госстандартом России испытательном центре ОАО «Манотомь». Основной целью проведения испытаний является установление характеристик погрешности датчиков давления ДМ5007МП: систематической и случайной, основной и дополнительной. Установление случайной погрешности, как правило, не вызывает затруднений и заключается в многократных измерениях давления в одних и тех же контрольных точках. При определении систематической составляющей погрешности сравниваются результаты измерений со значениями рабочих эталонов. Установление характеристик погрешности во всех случаях осуществляется по многократным ее реализациям [182, 262, 263]. Параметры математической модели каждого датчика были определены в соответствии с методикой градуировки (см.разд.3.3). В качестве контрольных точек измерения давления были выбраны значения Р=0, 50, 100...600 кгс/см , дополнительную температурную погрешность определяли при температурах +60, +120 С. Для представительности выборки в каждой контрольной точке проводилось 5 измерений. Для повышения надежности датчиков были использованы ТП типа «Д100-2» с номинальным пределом измерений 0... 1000 кгс/см .