Kompensacja błędu czujnika ciśnienia

Rozsądna rekompensata błęduczujniki ciśnieniajest kluczem do ich aplikacji. Czujniki ciśnienia mają głównie błąd czułości, błąd przesunięcia, błąd histerezy i błąd liniowy. W tym artykule wprowadzi mechanizmy tych czterech błędów i ich wpływ na wyniki testu. Jednocześnie wprowadzi metody kalibracji ciśnienia i przykłady zastosowania w celu poprawy dokładności pomiaru.

Obecnie na rynku znajduje się szeroka gama czujników, co pozwala inżynierom projektowym wybrać czujniki ciśnienia wymagane dla systemu. Czujniki te obejmują zarówno najbardziej podstawowe transformatory, jak i bardziej złożone czujniki o wysokiej integracji z obwodami na chipie. Ze względu na te różnice inżynierowie projektowe muszą dążyć do zrekompensowania błędów pomiarowych w czujnikach ciśnienia, co jest ważnym krokiem w zapewnieniu, że czujniki spełniają wymagania dotyczące projektowania i zastosowania. W niektórych przypadkach odszkodowanie może również poprawić ogólną wydajność czujników w aplikacjach.

Pojęcia omówione w tym artykule mają zastosowanie do projektowania i zastosowania różnych czujników ciśnienia, które mają trzy kategorie:

1. Kalibracja podstawowa lub nieskompensowana;

2. Istnieje kalibracja i kompensacja temperatury;

3. Ma kalibrację, kompensację i wzmocnienie.

Zachowanie, kalibrację zakresu i kompensację temperatury można osiągnąć za pomocą sieci rezystorów z cienkimi warstwami, które wykorzystują korekcję laserową podczas procesu opakowania. Ten czujnik jest zwykle stosowany w połączeniu z mikrokontrolerem, a osadzone oprogramowanie samego mikrokontrolera ustanawia model matematyczny czujnika. Po odczytaniu napięcia wyjściowego mikrokontrolera model może przekształcić napięcie na wartość pomiaru ciśnienia poprzez transformację konwertera analogowo-cyfrowego.

Najprostszym modelem matematycznym dla czujników jest funkcja transferu. Model można zoptymalizować w całym procesie kalibracji, a jego dojrzałość wzrośnie wraz ze wzrostem punktów kalibracji.

Z perspektywy metrologicznej błąd pomiaru ma dość ścisłą definicję: charakteryzuje różnicę między mierzonym ciśnieniem a ciśnieniem rzeczywistym. Zwykle nie jest jednak możliwe bezpośrednio uzyskanie rzeczywistego ciśnienia, ale można go oszacować przy użyciu odpowiednich standardów ciśnienia. Metrolodzy zwykle używają instrumentów z dokładnością co najmniej 10 razy wyższą niż zmierzony sprzęt jako standardy pomiarowe.

Ze względu na fakt, że systemy nieskalibrowane mogą przekształcić napięcie wyjściowe tylko na ciśnienie przy użyciu typowej czułości i wartości przesunięcia.

Ten nieskomplikowany błąd początkowy składa się z następujących komponentów:

1. Błąd czułości: Wielkość generowanego błędu jest proporcjonalna do ciśnienia. Jeśli czułość urządzenia jest wyższa niż typowa wartość, błąd czułości będzie rosnącą funkcją ciśnienia. Jeśli czułość jest niższa niż typowa wartość, błąd czułości będzie zmniejszającą funkcją ciśnienia. Przyczyną tego błędu jest zmiany w procesie dyfuzji.

2. Błąd przesunięcia: Ze względu na stałe przesunięcie pionowe w całym zakresie ciśnienia zmiany dyfuzji transformatora i korekcji regulacji lasera spowodują błędy przesunięcia.

3. Błąd opóźnienia: W większości przypadków błąd opóźnienia można całkowicie zignorować, ponieważ płytki krzemowe mają wysoką sztywność mechaniczną. Zasadniczo błąd histerezy musi być rozpatrywany tylko w sytuacjach, w których występuje znaczna zmiana ciśnienia.

4. Błąd liniowy: Jest to czynnik, który ma stosunkowo niewielki wpływ na początkowy błąd, który jest spowodowany fizyczną nieliniowość wafla krzemu. Jednak w przypadku czujników ze wzmacniaczami należy również uwzględnić nieliniowość wzmacniacza. Liniowa krzywa błędu może być krzywą wklęsłą lub krzywą wypukłą.

Kalibracja może wyeliminować lub znacznie zmniejszyć te błędy, podczas gdy techniki kompensacji zwykle wymagają określania parametrów rzeczywistej funkcji przenoszenia systemu, a nie po prostu używania typowych wartości. Potencjometry, regulowane rezystory i inne sprzęt mogą być używane w procesie kompensacyjnym, podczas gdy oprogramowanie może bardziej elastycznie zaimplementować te prace związane z kompensacją błędów.

Metoda kalibracji jednego punktu może zrekompensować błędy przesunięcia poprzez wyeliminowanie dryfu w zerowym punkcie funkcji transferu, a ten typ metody kalibracji nazywa się automatycznym zerowaniem. Kalibracja przesunięcia jest zwykle wykonywana przy ciśnieniu zerowym, szczególnie w czujnikach różnicowych, ponieważ ciśnienie różnicowe wynosi zwykle 0 w warunkach nominalnych. W przypadku czujników kalibracja przesunięcia jest trudniejsza, ponieważ albo wymaga układu odczytu ciśnienia do pomiaru jego skalibrowanej wartości ciśnienia w warunkach ciśnienia atmosferycznego lub kontrolera ciśnienia w celu uzyskania pożądanego ciśnienia.

Kalibracja zerowego ciśnienia czujników różnicowych jest bardzo dokładna, ponieważ ciśnienie kalibracyjne wynosi ściśle zero. Z drugiej strony dokładność kalibracji, gdy ciśnienie nie wynosi zero, zależy od wydajności kontrolera ciśnienia lub układu pomiarowego.

Wybierz ciśnienie kalibracji

Wybór ciśnienia kalibracji jest bardzo ważny, ponieważ określa zakres ciśnienia, który osiąga najlepszą dokładność. W rzeczywistości po kalibracji rzeczywisty błąd przesunięcia jest minimalizowany w punkcie kalibracji i pozostaje w niewielkiej wartości. Dlatego punkt kalibracji musi być wybrany na podstawie docelowego zakresu ciśnienia, a zakres ciśnienia może nie być spójny z zakresem roboczym.

Aby przekonwertować napięcie wyjściowe na wartość ciśnienia, typowa czułość jest zwykle stosowana do kalibracji pojedynczej punktu w modelach matematycznych, ponieważ faktyczna czułość jest często nieznana.

Po wykonaniu kalibracji przesunięcia (PCAL = 0) krzywa błędu pokazuje przesunięcie pionowe w stosunku do krzywej czarnej reprezentującej błąd przed kalibracją.

Ta metoda kalibracji ma surowsze wymagania i wyższe koszty wdrożenia w porównaniu z metodą kalibracji jednego punktu. Jednak w porównaniu z metodą kalibracji punktowej metoda ta może znacznie poprawić dokładność układu, ponieważ nie tylko kalibruje przesunięcie, ale także kalibruje czułość czujnika. Dlatego w obliczeniach błędów zamiast wartości nietypowych można użyć rzeczywistych wartości czułości.

Tutaj kalibracja jest wykonywana w warunkach 0-500 megapaskali (pełna skala). Ponieważ błąd w punktach kalibracji jest blisko zeru, szczególnie ważne jest prawidłowe ustawienie tych punktów w celu uzyskania minimalnego błędu pomiaru w oczekiwanym zakresie ciśnienia.

Niektóre zastosowania wymagają utrzymania wysokiej precyzji w całym zakresie ciśnienia. W tych zastosowaniach można zastosować metodę kalibracji wielu punktów do uzyskania najbardziej idealnych wyników. W metodzie kalibracji wielopunktowej rozważane są nie tylko błędy przesunięcia i czułości, ale wzięto również pod uwagę większość błędów liniowych. Zastosowany tutaj model matematyczny jest dokładnie taki sam jak dwustopniowa kalibracja dla każdego przedziału kalibracji (między dwoma punktami kalibracji).

Kalibracja trzech punktów

Jak wspomniano wcześniej, błąd liniowy ma spójną formę, a krzywa błędu jest zgodna z krzywą równania kwadratowego, o przewidywalnym rozmiarze i kształcie. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku czujników, które nie wykorzystują wzmacniaczy, ponieważ nieliniowość czujnika jest zasadniczo oparta na przyczynach mechanicznych (spowodowanych cienkim ciśnieniem filmowym wafla krzemu).

Opis liniowych charakterystyk błędu można uzyskać poprzez obliczenie średniego błędu liniowego typowych przykładów i określenie parametrów funkcji wielomianowej (A × 2+Bx+C). Model uzyskany po określaniu A, B i C jest skuteczny dla czujników tego samego rodzaju. Ta metoda może skutecznie zrekompensować błędy liniowe bez potrzeby trzeciego punktu kalibracji.