Калибровка датчиков давления

Датчик или преобразователь давления преобразует измеряемое давление в нормированный электрический или цифровой сигнал. Одна из его ключевых характеристик – погрешность (точность) преобразования.

Из-за того, что сенсор давления является физическим объектом, его выходной сигнал имеет весьма существенные отклонения: гистерезис, нелинейность, разброс верхней точки характеристики:

Чтобы готовый преобразователь обеспечивал заявленные метрологические характеристики, эти отклонения необходимо компенсировать. Теоретически это можно исправить микросхемотехникой, размещённой непосредственно на сенсоре, но это в разы удорожает сенсор, производители сенсоров часто не имеют достаточных компетенций, а потребителей сенсоров не удовлетворяют параметры нормирования.

Стандартно задачу исправления врождённых отклонений до требуемой погрешности в датчике решает нормирующий преобразователь – устройство, предназначенное:

1. запитывать сенсор опорным напряжением;
2. выравнивать и линеаризировать сигнал от сенсора;
3. стабилизировать показания по температуре;
4. формировать выходной сигнал в мА, В, RS-485.

Как нормирующий преобразователь корректирует сигнал от сенсора

В составе нормирующего преобразователя используется микроконтроллер. В процессе калибровки он запоминает коэффициенты полинома третьей степени, выравнивающего отклонения «своего» сенсора, а также хранит коэффициенты полинома второй степени, компенсирующего температурную погрешность сенсора.

В результате каждый преобразователь получает собственный набор коэффициентов. Во время работы прибора микроконтроллер использует их для коррекции исходного сигнала сенсора с учетом его индивидуальной характеристики и влияния температуры.

Как проходит калибровка

Стенд калибровки представляет собой совокупность следующих компонентов:

1. компьютер с установленной программой вычисления коэффициентов полиномов;
2. калибратор давления, по сути, сверхвысокоточный и сверхстабильный клапан;
3. датчик (преобразователь) с конкретными сенсором и микроконтроллером в составе нормировщика;
4. пневмосистема с источником опорного давления.

Рассмотрим, как стенд калибровки вычисляет и заносит коэффициенты.

Конкретный датчик с сенсором и нормирующей электроникой подключается к стенду согласно рисунку ниже. Далее прибор последовательно проходит несколько этапов.

Фаза калибровки 1

Компьютер, согласно программе, подаёт на калибратор сигнал, на основании которого он сверхточно и сверхстабильно передает датчику последовательно серию величин давления (точек калибровки) от «нуля» до «диапазона измерения» датчика и обратно, выдерживая передачу каждой точки на определённое время. Компьютер собирает ненормированные показания от сенсора и определяет его нелинейность, гистерезис и разброс. Обозначим выходной сигнал от сенсора «X»:

Фаза калибровки 2

Компьютер, согласно разработанной инженерами ОВЕН программе, рассчитывает и заносит в микроконтроллер датчика коэффициенты полинома второй степени а, в, с, линеаризующие выходной сигнал датчика :

Фаза калибровки 3

В результате выходной сигнал датчика Y, вычисляемый микроконтроллером по формуле Y = аX²+вX+с по сигналу сенсора X выпрямляется до значений, не выходящих за пределы основной погрешности калибруемого датчика:

Фаза калибровки 4

Основная погрешность определяется и калибруется при нормальных условиях: температуре среды +23°С, атмосферном давлении 760 мм рт. ст., влажности среды 60%.

При изменении условий эксплуатации датчика появляются дополнительные погрешности в основном температурные. Для их компенсации проводится дополнительный цикл калибровки при +80°С.

Датчик помещают в промышленную печь, нагревают до +80°С, компьютер подаёт через калибратор точки калибровки на датчик и фиксирует смещение выходного сигнала датчика дельта t температурной погрешности:

Фазы калибровки 5

Компьютер согласно программе рассчитывает и заносит в микроконтроллер датчика коэффициенты дополнительного полинома второй степени d, e температурной компенсации:

Фазы калибровки 6

В результате выходной сигнал датчика Y+ ΔY , где ΔY = dX+e выпрямляется до значений, не выходящих за пределы основной погрешности калибруемого датчика в пределах температурной компенсации от +23°С до +80°С:

Преимущества калибровки ПО ОВЕН

В настоящее время в результате проводимой на Заводе 423 калибровки датчиков (преобразователей) давления ОВЕН ПД100(И) в микроконтроллере каждого датчика хранится набор уникальных коэффициентов нормирования, позволяющий компенсировать погрешности установленного в этом датчике сенсора до пределов «не более чем» заявленной для этого датчика погрешности с запасом 20 %.То есть каждый ПД100-…-1,0 производится «не хуже чем» 0,8 %, а ПД100И-…-0,25 «не хуже чем» 0,2 %.

Поскольку микроконтроллер в составе ОВЕН ПД100 позволяет проводить до трёх дополнительных циклов термокомпенсирования, в обновлённом ПД100И в 2027 году планируется внедрить циклы калибровки на -20°С и -40°С.

О подтверждении заявленной погрешности (первичной поверки) датчика на сертифицированном оборудовании Завода 423 расскажем в следующей статье.