Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Deformační manometr v digitálním věku

číslo 1/2006

Deformační manometr v digitálním věku

Mechanické etalonové tlakoměry jsou v běžné provozní praxi v současnosti nahrazovány referenčními digitálními tlakoměry (obr. 1), které pro měření tlaku často používají moderní piezorezistivní křemíková čidla (senzory) tlaku. V článku jsou shrnuty důvody, pro které tato čidla tlaku patří mezi nejvhodnější k měření, popř. kalibraci tlaku, zvláště mimo laboratoř.

Křemíkový snímač tlaku s piezorezistory

Nejdůležitější vlastností čidla tlaku určeného k použití ve velmi přesném tlakoměru je jeho opakovatelné chování při změnách měřeného tlaku a teploty okolního prostředí. Z tohoto důvodu se jako ideální materiál pro čidlo tlaku jeví krystalický křemík, neboť:

  • je v dostatečném rozsahu deformace dokonale pružný (nemůže být plasticky deformován, má nulovou hysterezi),
  • poměr možného zatížení ke hmotnosti křemíkového prvku je pětkrát větší než u oceli.
Obr. 1.

Obr. 1. Referenční digitální tlakoměr

Pro volbu křemíku jako materiálu pro čidlo tlaku navíc existují významné obchodní důvody. Křemíkové snímače tlaku se vyrábějí běžnou technikou používanou při výrobě integrovaných obvodů s přidanými operacemi mikroobrábění, kterými se vytváří vlastní tlakoměrná membrána čidla a pouzdro odolávající měřenému tlaku. Ceny snímačů jsou nízké a jejich kvalita vysoká, protože integrované obvody se vyrábějí ve velkých objemech zavedenými precizními výrobními postupy.

Aby křemík získal vlastnosti tlakoměrné membrány vhodné pro současné tlakoměry, musí být snímač opatřen převodníky mechanické deformace materiálu membrány na elektrický signál. Toto se provádí difuzí nebo ionizací, která na povrchu membrány vytvoří rezistory citlivé na deformaci neboli piezorezistory. Odpor piezorezistorů se mění přesně podle průhybu křemíkové membrány vlivem měřeného tlaku. Velkou předností piezorezistivního způsobu převodu deformace na elektrický odpor je jeho citlivost, která je desetkrát až dvacetkrát větší než při použití tenzometrů z kovových materiálů.

Klasické mechanické deformační manometry i snímače tlaku s kovovou membránou jsou také náchylné k poškození tlakovým přetížením. Jakékoliv i krátkodobé zatížení tlakem větším než stanoveným může významně ovlivnit metrologické vlastnosti snímače, aniž je to na první pohled patrné: naměřené hodnoty tlaku se tak mohou nadále jevit jako správné a s jako správnými (zatíženými jen náhodnou chybou) se s nimi může chybně zacházet.

Obr. 2.

Obr. 2. Typické uspořádání snímače tlaku pro nízkotlaký digitální manometr (Crystal Engineering Corporation, typ XP2)

Je-li křemíková membrána vystavena přetížení tlakem, bude až do dosažení bodu jejího mechanického poškození údaj tlaku správný a přesný, protože krystalický křemík je dokonale pružný a mechanické přetížení nemění jeho vlastnosti.

Nelze říci, že snímače s křemíkovými čidly jsou nezničitelné. Je-li však snímač poškozen, je to ihned patrné. Čidlo tlaku z krystalického křemíku se poškodí podobně jako sklo – roztříští se. Poškození je okamžité a dále měřit nelze. Mechanickým poškozením čidla se přeruší nejméně jedna větev Wheatstoneova můstku, ve kterém jsou zapojeny piezorezistory, a elektrický signál na výstup ze snímače je okamžitě mimo rozsah, což nelze přehlédnout. Velkou předností křemíkového čidla je tedy skutečnost, že nemůže měřit nesprávně – buď měří správně, nebo neměří vůbec.

Konstrukce snímače tlaku

Použít v provozních snímačích tlaku křemíková piezorezistivní čidla není zcela jednoduché. Křemík je robustní materiál; to ovšem nelze říci o nevyhnutelných elektrických přívodech a jejich připojení ke křemíkovému čidlu tlaku. Tak jako u mnoha jiných integrovaných spojů se pro spojení čidla tlaku s okolím používá vodič o malém průměru vyrobený ze zlata. Toto propojení je také obvykle vystaveno tlaku působícímu na membránu. Uvedený způsob konstrukce lze snadno rozpoznat podle požadavku, že měřeným médiem může být „čistý, suchý vzduch„ nebo „neagresivní plyny„. Voda a vodní páry poškozují křemíkové čidlo tlaku zejména svým elektrolytickým působení na soustavu přítomných různorodých materiálů (zlaté vodiče, křemík, hliníkové nebo jiné pokovení apod.).

Obr. 3.

Obr. 3. Digitální ukazovací tlakoměry (nahoře) i regulátory tlaku (dole) s křemíkovými čidly tlaku jsou při výrobě efektivně prověřovány po celých dávkách

Je zřejmé, že popsaná základní konstrukce není vhodná pro použití v průmyslu. Křemíkové čidlo tlaku je obecně třeba chránit před stykem s měřeným médiem. K tomu se v tlakoměrech používá oddělovací systém s kovovou oddělovací membránou a olejovou náplní, jenž je obdobný jako systémy, se kterými se lze setkat u provozních převodníků tlaku s přenosem měřicího signálu na dálku. Otázka je, zda kovová membrána ovlivňuje vlastnosti křemíkového čidla. Odpověď zní: Ne, pokud je zvolena správná konstrukce.

Kovová oddělovací membrána nemá vliv na opakovatelnost měření proto, že i při působení maximálního přípustného tlaku téměř nemění svůj tvar. Důvodem toho je, že membrána křemíkového čidla je velmi malá – s činnou plochou obvykle menší než 2 mm2 – zatímco průměr oddělovací membrány vystavené působení měřeného média je přibližně 10 mm (průměr membrány snímačů malých tlaků nízkotlakého snímače může být i dvojnásobný). Na obr. 2 je ukázána konstrukce takovéhoto snímače tlaku.

Linearizace a teplotní kompenzace

Důležitými operacemi při použití křemíkových piezorezistivních čidel tlaku jsou linearizace jejich statické převodní charakteristiky a kompenzace vlivu teploty.

Křemíkové polovodičové tenzometry (piezorezistory) mají teplotní koeficient přibližně 2,2 · 10–3, takže je nutné použít určitý způsob kompenzace teploty.

Nejjednodušší je doplnit měřicí můstek s piezorezistory kompenzačními teplotně závislými rezistory. Výsledkem je pouze částečné zlepšení vlastností čidla, obvykle provedené již jeho výrobcem, nikoliv výrobcem finálního výrobku – manometru. (Související teorie a popis technického řešení jsou mimo rozsah tohoto článku.) U výrobků s takto provedenou teplotní kompenzací je často uvedeno, že technické údaje platí v rozsahu teplot např. od 18 do 28 °C. Při teplotě nad 28 °C nebo pod 18 °C se uplatní chyba vlivem teploty např. 0,01 %/K.

Křemíková piezorezistivní čidla tlaku lze ovšem teplotně kompenzovat i digitálně. V tomto případě musí být každý tlakoměr zkoušen v teplotní komoře a jeho teplotní charakteristiky se individuálně modelují. Tento způsob eliminuje vlivy teploty a současně se používá také ke korigování nelinearity čidla.

Obr. 4.

Obr. 4. Pracoviště pro ověřování tlakoměrných přístrojů s automatizovanými regulátory či kalibrátory tlaku a teplotními komorami řízené počítačem

Pro digitální kompenzaci je třeba pro každý jednotlivý tlakoměr získat poměrně velké množství údajů naměřených při různých tlacích a teplotách okolního prostředí v celém rozsahu provozních teplot (obvykle –10 až +50 °C). Z důvodu rentability je vhodné celé měření automatizovat a tlakoměry prověřovat po větších dávkách (obr. 3). Na obr. 4 je pohled na příslušné pracoviště s automatickými regulátory či kalibrátory tlaku a s teplotními komorami, jež je řízeno počítačem.

Velmi důležitou vlastností etalonových tlakoměrů je také odolnost proti vibracím a mechanickým rázům. Mechanické deformační tlakoměry se i při malém otřesu poškodí nebo u nich vznikne drift nezjistitelný běžným uživatelem. Naproti tomu robustní konstrukce tlakoměrů s křemíkovými piezorezistivními čidly odolává vibracím i rázům velmi dobře.

Závěr

Výhody moderního digitálního referenčního tlakoměru oproti „klasickému„ etalonovému deformačnímu tlakoměru mechanické konstrukce lze shrnout takto:

  • větší přesnost (obvykle lepší než ±0,1 % naměřené hodnoty v pásmu od 20 do 100 % měřicího rozsahu),
  • snazší čitelnost a větší rozlišení zobrazené naměřené hodnoty,
  • možnost kompenzace vlivu teploty v celém rozsahu pracovních teplot,
  • odolnost proti přetížení tlakem i mechanickým vibracím a rázům,
  • možnost komunikace s počítačem,
  • možnost zobrazení tlaku v různých měřicích jednotkách tlaku a další možnosti zpracování údajů (tlumení, záznam minimálních a maximálních hodnot, průměr, odchylka atd.).

[Firemní materiály Crystal Engineering Corporation, 2005.]

Odkazy na internet:
http://www.crystalengineering.net
http://www.dex.cz

(D-Ex Limited, spol. s r. o.)

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: vaisala@dex.cz
http://www.dex.cz