Сравнительные технологические и эксплуатационные характеристики микропроцессорных и аналоговых датчиков давления

Первичные преобразователи на структурах КНС имеют существенные достоинства, например простота заделки чувствительного элемента, высокая стабильность, высокая радиационная стойкость. Но наряду с достоинствами есть недостатки, усложняющие процесс производства датчиков давления. К основным причинам, усложняющим технологический процесс изготовления датчиков давления, относятся:

● Значительный разброс коэффициента преобразования и начального значения выходного сигнала (при питании от источника тока 1,5 мА разброс начального значения выходного сигнала до ±50 мВ и более, разброс диапазона изменения от 80 мВ до 450 мВ), который определяется как свойствами исходного материала, так и конструктивными особенностями данного типа преобразователя.

● Нелинейная характеристика первичного преобразователя. Нелинейность преобразования имеет разброс от 0,06% для датчиков избыточного давления до 1,5% для датчиков разности давлений.

● Значительная по величине и разбросу нелинейность дополнительных температурных погрешностей.

Все вышеуказанные погрешности преобразования могут быть выявлены только после окончательной сборки первичного преобразователя, что не позволяет учесть их заранее при сборке блока электронного преобразователя. Рассмотрим процесс производства датчиков давления Сапфир 22 (Сапфир 22М выпуска до 2003 года).

Для устранения начального смещения выходного сигнала в электронном блоке датчиков Сапфир 22 и Сапфир 22М применялись ступенчатые переключатели смещения нуля, которые затем использовались в процессе эксплуатации прибора для получения шкал с ненулевой точкой отсчета.

С целью нормирования размаха выходного сигнала использовался переключатель коэффициентов усиления и плавный регулятор «диапазона». Подобное решение делало невозможным получение некоторых пределов измерений при слабых сигналах, например в моделях 2Х20 максимальная величина перенастройки 1:4 по особому заказу, для большинства остальных моделей величина перенастройки составляет 1:6. Устранение нелинейности преобразования (не более 2 порядка) осуществлялось подбором резисторов обратной связи с выхода усилителя на вход опорного напряжения источника тока питания измерительного моста, что всегда нарушало подобранные значения коэффициента усиления и начального сигнала. Процесс подбора нулевого значения, коэффициента усиления и устранения нелинейности преобразования приходилось повторять многократно. Помимо этого подобный способ устранения нелинейности ориентирован на квадратичную параболическую зависимость, что в подавляющем большинстве случаев приводит к увеличению основной погрешности при перенастройке прибора на более низкие значения предела измерений. Таким образом, первичная настройка датчика требовала значительного времени и высокой квалификации регулировщика.

Минимизация дополнительных температурных погрешностей осуществлялась за счет включения измерительного моста в плечо температурного моста и позволяла осуществить поворот характеристик дополнительных температурных погрешностей аддитивной и мультипликативной составляющих. Подобное решение не позволяло устранить нелинейные дополнительные температурные погрешности, встречающиеся примерно у 30% первичных преобразователей. Помимо этого недостатка проведение температурной коррекции зачастую влияло на параметры первичной настройки и приходилось повторять процессы первичной настройки и температурной коррекции до трех раз. При этом вынужденно браковались первичные преобразователи, имеющие значительную величину нелинейности дополнительной температурной погрешности (порядка 25%...30% первичных преобразователей). Поскольку приборы Сапфир 22 были внедрены на всех отечественных приборостроительных заводах, со временем эти недостатки заставили искать иные решения.

Результатами этих поисков стало появление микропроцессорных блоков обработки сигнала и новых принципов построения аналоговых электронных блоков.

Выпускаемые до сих пор приборы Сапфир 22МП, Метран 100 являются классическими микропроцессорными приборами, состоящими из следующих функциональных узлов:
● преобразователь аналог - цифровой код (в обоих случаях используется микросхема сигма-дельта АЦП AD7714). Применение сигма-дельта АЦП вызвано требованиями обеспечения минимального потребления для возможности реализации унифицированного токового сигнала 4 - 20 мА.
● управляющий процессор;
● цифроаналоговый преобразователь (AD421 для двухпроводной схемы датчика с сигналом 4 -20 мА, AD420 для трехпроводной схемы включения и сигнала 0 -5 мА).
● платы индикации и управления (Метран 100) или пульта отображения и управления (Сапфир 22МП).

Первые микропроцессорные приборы фирмы «Элемер» отличались от Метран 100 и Сапфир 22МП тем, что ЦАП в них был заменен ШИМ - модулятором, который также выполнял функции изменения пределов измерений. Процесс изготовления датчика давления, выполненного по такой функциональной схеме существенно проще процесса изготовления классического прибора Сапфир 22 и требует меньших затрат времени и номенклатуры комплектующих материалов. Требования к квалификации регулировщиков могут быть снижены.

Упрощенно процесс выглядит следующим образом. После сборки первичного преобразователя и электронного блока производится цикл измерений для определения коэффициентов математической модели для данного первичного преобразователя при комнатной температуре и нескольких промежуточных температурах и граничных температурах рабочего диапазона прибора.

Разрядность примененного АЦП в сочетании с имеющимися системными калибровками нуля и шкалы и возможностью ступенчатого изменения коэффициента усиления на входе АЦП позволяют устранить влияние практически любых разбросов параметров измерительных блоков, но требует определенной квалификации и затрат времени на процесс производства и дополнительного объема памяти для хранения конфигурации каждого канала. Эффективное разрешение АЦП AD7714 (порядка 18 бит) позволяет применить биполярный режим преобразования с использованием автокалибровок нуля и шкалы (не использовать системные калибровки), что повышает точность преобразования, упрощает и ускоряет процесс изготовления, но требует значительного времени от самого прибора на проведение этих автокалибровок. В связи с этим калибровки производятся не перед каждым измерением. Периодичность их проведения определяется разработчиком и зависит в первую очередь от периодичности измерения температуры. Это связано с необходимостью смены конфигурации АЦП при переходе от измерения давления к измерению температуры, что обусловлено самой схемой построения применяемых АЦП, а именно многоканальные мультиплексируемые АЦП. Преобразование аналогового входного сигнала в каждый конкретный момент времени производится только в одном канале, то есть АЦП один и к нему через мультиплексор подключаются различные аналоговые входы. Каждое переключение канала и неизбежная последующая автокалибровка эквивалентны более чем 20 измерениям. Результаты измерений заносятся в соответствующий файл и, после машинной обработки формируется массив коэффициентов математической модели и запись этого массива в память прибора.

Математические модели представляют собой полиномы по давлению и температуре. Для уменьшения основной погрешности используются, как правило, методы полиноминальной аппроксимации, например, в приборе Сапфир 22МП полином второго порядка, построенный по 7 точкам по давлению.

Для уменьшения дополнительных температурных погрешностей используются также методы полиноминальной аппроксимации, например, в приборе Сапфир 22МП полином второго порядка, построенный по 3 точкам по температуре.

Таким образом затраты времени на изготовление прибора сокращаются (требуется один проход по давлению при нормальных условиях и один температурный цикл для устранения температурных погрешностей). Метрологические характеристики прибора зависят от разрядности АЦП, динамические характеристики - от частоты взятия отсчетов и скорости обработки результатов измерений. Примененные в приборах Сапфир 22МП и Метран 100 АЦП AD7714 имеют 3 мультиплексируемых дифференциальных канала с максимальным разрешением 24 бита. На самом деле эффективное разрешение зависит от соотношения частоты задающего генератора и частоты отсчетов, т.е. точность и динамические характеристики взаимосвязаны. Чем выше требуемая точность, тем больше времени требуется на один отсчет.

Повышение частоты задающего генератора увеличивает потребляемый АЦП (и процессором) ток, что невозможно при работе прибора в системах токовой автоматики, где максимальное потребление электронного блока не должно превышать 3,5 мА. По этой причине частота задающего генератора не может быть более 2 МГц. При этом для достижения разрешения 19 бит (максимально возможного) частота отсчетов не может быть более 10Гц. Выдача результата по одному отсчету нецелесообразна, требуется усреднение нескольких измерений, особенно при переходе от измерений температуры к измерению сигнала давления, так как первые измерения после переключения каналов не достоверны. В результате время отклика электронного блока на изменение входного воздействия не менее 0,4 сек, при переключении каналов и автокалибровках АЦП время может составлять от 0,4 до 0,8 сек при разрешении 15 - 16 бит, что в принципе дает возможность получения основной погрешности 0,1% во всем диапазоне перенастроек приборов (1:10). Время готовности прибора при включении питания (или возникшей после помехи перезагрузки процессора) составляет примерно 2 секунды.

Наличие индикатора в процессорных приборах обусловлено вовсе не необходимостью отображения результатов измерения (в приборе Сапфир 22МП нет встроенного индикатора). Основная функция индикаторов во всех процессорных приборах - это отображение состояния прибора и совместно с клавиатурой управление режимами работы прибора. Информация, выводимая на индикатор, зависит от выбора оператора. Источник информации - процессор, обработавший сигнал АЦП, что в общем случае имеет мало общего с выходным сигналом. В случае выбора для отображения измеренного значения давления непонятно, какой процент от установленного диапазона составляет указанная величина.

В аналоговых приборах управление режимами работы и пределами измерений осуществляется с помощью переключателей и 2 - 3 плавных регулировок. При этом оператор может визуально определить режим работы и предел измерений прибора по состоянию переключателей. Описание функций управления прибором занимает 1 - 2 страницы и охватывает все возможные режимы прибора. В случае процессорного прибора наличие всего 3 - 4 кнопок управления и семисегментных индикаторов приводит к необходимости усложнения руководства по эксплуатации. Появляется описание меню администратора (16 страниц у «Элемера»). Отдельно приходится описывать последовательность операций для изменения состояния прибора. В итоге реальный выигрыш (простота обслуживания) только при установке нуля прибора нажатием одной кнопки.

Следует также учесть, что у разных производителей разные алгоритмы управления приборами и свои меню и описания, что только увеличивает путаницу. Тем не менее это блестяще обыграно маркетологами: «у нас есть индикатор», при этом основные его функции не упоминаются. Применяемая с 2003 года аналоговая схема обработки сигнала в приборах Сапфир 22М, Сапфир 22МТ построена с использованием иных принципов, нежели в приборах Сапфир 22.

Для минимизации основной погрешности применен метод кусочно-линейной аппроксимации. Диапазон изменения входного сигнала разбит на 4 участка, на каждом из которых возможно задание своего коэффициента усиления. Такой метод аппроксимации позволяет уменьшить параболическую нелинейность в 16 раз и позволяет минимизировать и знакопеременную основную погрешность. Отказ от обратных связей позволяет произвести минимизацию основной погрешности до уровня меньше 0,1% за один проход по давлению. Значения требуемых коэффициентов усиления (номиналов резисторов) могут быть получены (и получаются) расчетным путем по результатам входного контроля первичных преобразователей. В состав электронного блока введены два независимых датчика температуры для устранения аддитивной (нуля) и мультипликативной (диапазона) составляющих дополнительной температурной погрешности. Каждый из датчиков температуры вырабатывает два независимых сигнала для температур выше и ниже нормальной температуры.

Датчик температуры для компенсации аддитивной составляющей использует сигнал с диагонали питания измерительного моста.

Датчик температуры для компенсации мультипликативной составляющей (диапазона) вырабатывает сигнал, пропорциональный произведению сигнала диапазона на разность нормальной температуры и температуры, при которой работает прибор.

Весовые коэффициенты (номиналы резисторов) компенсирующих напряжений могут быть получены (и получаются) расчетным путем по результатам входного контроля первичных преобразователей. Таким образом, достигается снижение трудоемкости изготовления и повышение выпуска годных приборов за счет устранения нелинейности дополнительных температурных погрешностей.

Что касается ремонтопригодности приборов, то диагностика неисправности аналогового прибора не требует специализированного оборудования и программного обеспечения и может быть произведена любым слесарем КИП с помощью обычного мультиметра. Замена любого компонента на аналогичный не нарушает заводских регулировок и полностью восстанавливает работоспособность прибора.

Замена процессора в микропроцессорном приборе бесполезна без соответствующего (заводского) программного обеспечения. Диагностика неисправности так же затруднена без специализированного оборудования и программного обеспечения. В рекламируемую «самодиагностику» верят только маркетологи и далекие от техники люди. На самом деле для эксплуатационников представляет интерес только один параметр, а именно соответствие выходного сигнала давлению на входе прибора. Правильность вычисления контрольных сумм, отработки тестовых программ стоят на втором месте. Источник информации в датчиках давления - первичный преобразователь и никакая диагностика и методика контроля памяти и вычислений не состоянии отличить изменение входного параметра от неисправности первичного преобразователя.

Ответ на этот вопрос может дать только метрологическая поверка прибора. Наличие дистанционного управления прибором по HART - протоколу не согласуется с категорическим требованием запрета доступа к органам регулировки прибора на АЭС (и не только).

Значительное время задержки (даже без введения рекламируемого некоторыми производителями демпфирования) делает нецелесообразным применение микропроцессорных приборов и HART - протокола для контроля и управления быстропротекающими процессами. Так, например, институт Теплоэнергопроект запрещает применение микропроцессорных приборов в системах безопасности.