Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Senzor, nebo rovnou celý převodník tlaku?

Konstruktéři strojů a zařízení, v nichž je třeba měřit tlak, stojí před otázkou: použít jako nakupovaný díl jen samotný senzor a elektroniku navrhnout a vyrábět vlastními silami, nebo koupit celý snímač včetně elektroniky? Tento článek zdůvodňuje, proč by měli dát přednost druhé variantě.
 

Ohlédnutí do historie

 
V sedmdesátých letech minulého století byli výrobci senzorů tlaku konfrontováni s poptáv­kou konstruktérů hydraulických zařízení, kon­struktérů zařízení pro vodohospodářství i pro další oblasti techniky po levných senzorech tla­ku. Tehdejší tenkovrstvé a piezorezistivní sen­zory těmto požadavkům nevyhovovaly, a mno­zí výrobci se proto pustili do vývoje vlastních. V roce 1978 uvedla společnost Keller na trh své piezorezistivní senzory tlaku řady 10 (obr. 1). Následoval triumfální postup piezo­rezistivních senzorů do všech oblastí použití. Mnozí známí výrobci měřicí techniky už ne­čekali na výsledky vlastního vývoje a trh byl doslova zaplaven senzory řady 10.
 

Proč dávají zákazníci přednost samostatným senzorům?

 
Ačkoliv převodníky (snímače; tj. senzory s vyhodnocovací elektronikou) určené pro zá­kazníky z řad OEM jsou v nabídce mnoha spo­lečností již mnoho let, podíl jejich prodeje je ve srovnání se samostatnými senzory stále malý, jen asi 2 %. Příčinou je pravděpodobně skuteč­nost, že zákazníci chtějí co největší část zaříze­ní vyrábět sami. Druhým důvodem je, že výstup piezorezistivního senzoru je tak silný, že vypracování návrhu potřebného zesilovače je poměrně snadné. Existuje ale několik důvodů, proč přejít od OEM senzorů k OEM převodní­kům. Zejména to jsou nový způsob kompenza­ce a nové směrnice EU v oblasti elektromagne­tické kompatibility.
 

Nový způsob kompenzace

 
Dříve se parametry převodníků nastavova­ly při dané kalibrační teplotě a kompenzace na jinou teplotu byla obtížná. Převodníky řady Y jsou vybaveny mikroprocesorovou teplotní kompenzací. Do přídavného obvodu je připo­jen snímač teploty. Celý rozsah provozních teplot je rozdělen do intervalů s šířkou 1,5 K a v každém intervalu se počítá teplotní kom­penzace nuly a zesílení. Každá teplota je tak vlastně „kalibrační teplotou“ a nejistota pře­vodníku je v podstatě dána jen jeho nelinearitou. K dispozici je 120 intervalů, tj. rozsah provozních teplot může být až 180 K. Protože u běžných moderních senzorů tlaku je chyba linearity přibližně 0,2 % rozsahu, lze při roz­sahu pracovních teplot 100 K dosáhnout nejis­toty měření převodníku do 0,25 %.
 

Efektivní a spolehlivá kalibrace

 
Kalibrace a závěrečná kontrola převodní­ků jsou otázkou jednoho automaticky vyko­návaného kroku. Převodník je umístěn do píc­ky, měří se jeho teplota a výstupy a pro každý teplotní interval se do paměti EEPROM zapí­šou potřebné korekční koeficienty. Po napro­gramování se podobně testují výstupy při růz­ných teplotách a tlacích, a tak vzniká záznam o pásmu nejistoty daného převodníku (obr. 3).
 

Nové směrnice EU

 
V oblasti senzorů a snímačů tlaku se hod­ně diskutuje o vlivu elektromagnetických polí (např. antén u snímačů s bezdrátovým výstu­pem) na nejistotu měření. Staré evropské nor­my pro EMC se tímto vlivem nezabývaly, ale nové, platné od roku 2008, jasně stanovují, jak mohou být výstupy snímačů elektromag­netickým polem ovlivněny. Běžné převod­níky proto musí být umístěny do vodivého pouzdra, které elektromagnetické pole odstí­ní. Převodníky řady Y jsou ovšem na elektromagnetické pole významně méně citlivé než jiné typy převodníků, a proto mohou být po­užívány i bez elektricky vodivého krytu, např. v běžném plastovém pouzdru.
 
Problematika elektromagnetické kompati­bility není jednoduchá. Vyžaduje hodně zku­šeností a nákladné laboratorní testy. Pro „sa­movýrobce“ převodníků je to významná nákladová položka navíc.
 

Třídy přesnosti

 
V Německu existovala norma DIN 16 086, často používaná i jinde v Evropě, včetně ČR, která definovala pade­sát pojmů spojených s ne­jistotou a přesností sníma­čů. Vyznat se v nich, to byl úkol pro zkušeného metro­loga. Mnohé katalogové lis­ty jsou dosud psány ve sty­lu této normy a kritické hla­sy tvrdí, že je to proto, že se v houštině pojmů lépe ztratí nepřesnost přístroje.
 
Keller definuje třídu přes­nosti podle maximální mož­né odchylky mezi změře­nou a správnou hodnotou. Specifikace po­tom může stanovovat vše ostatní, co je třeba, např. při jakém rozsahu tlaku, teplot, po ja­kou dobu provozu apod. je přesnost zaručena.
 
Vždy přitom existuje možnost, jak přes­nost zlepšit, např. zúžením rozsahu některých provozních hodnot, výběrem snímačů apod. To je využitelné zvláště u OEM převodníků, opakovaně používaných ve velkých sériích ve stejné úloze. Vhodným výběrem převodníku, popř. jeho adaptací pro dané podmínky, lze dosáhnout příznivého poměru ceny a přesnos­ti, jenž bývá v těchto případech jedním z roz­hodujících faktorů výběru.
 
Obr. 1. Piezorezistivní senzor tlaku řady 10
Obr. 2. Schéma převodníku řady Y 
Obr. 3. Záznam odchylek převodníku PAA-21Y 8 bar