Přiměřená kompenzace chybytlakové senzoryje klíčem k jejich aplikaci. Tlakové senzory mají hlavně chybu citlivosti, chybu ofsetu, chybu hystereze a lineární chybu. Tento článek představí mechanismy těchto čtyř chyb a jejich dopad na výsledky testu. Současně zavede metody kalibrace tlaku a příklady aplikací ke zlepšení přesnosti měření.
V současné době existuje na trhu celá řada senzorů, které umožňují konstrukčním inženýrům zvolit tlakové senzory potřebné pro systém. Tyto senzory zahrnují jak nejzákladnější transformátory, tak složitější vysoce integrační senzory s obvody na čipu. Kvůli těmto rozdílům se musí konstrukční inženýři snažit kompenzovat chyby měření v tlakových senzorech, což je důležitý krok při zajišťování, aby senzory splňovaly požadavky na návrh a aplikaci. V některých případech může kompenzace také zlepšit celkový výkon senzorů v aplikacích.
Koncepty diskutované v tomto článku se vztahují na návrh a aplikaci různých tlakových senzorů, které mají tři kategorie:
1. Základní nebo nekompenzovaná kalibrace;
2. Existuje kalibrace a kompenzace teploty;
3. Má kalibraci, kompenzaci a zesílení.
Kompenzace offsetu, rozsahu a kompenzace teploty lze dosáhnout prostřednictvím rezistorových sítí tenkých filmů, které používají korekci laseru během procesu balení. Tento senzor se obvykle používá ve spojení s mikrokontrolérem a vložený software samotného mikrokontroléru stanoví matematický model senzoru. Poté, co mikrokontrolér přečte výstupní napětí, může model převést napětí na hodnotu měření tlaku transformací analogového digitálního převodníku.
Nejjednodušší matematický model pro senzory je funkce přenosu. Model může být optimalizován během celého kalibračního procesu a jeho zralost se zvýší se zvýšením kalibračních bodů.
Z metrologického hlediska má chyba měření poměrně přísnou definici: charakterizuje rozdíl mezi měřeným tlakem a skutečným tlakem. Obvykle však není možné přímo získat skutečný tlak, ale lze jej odhadnout pomocí příslušných tlakových standardů. Metrologové obvykle používají přístroje s přesností nejméně 10krát vyšší než měřená zařízení jako standardy měření.
Vzhledem k tomu, že nekalibrované systémy mohou převést pouze výstupní napětí pouze na tlak pomocí typické citlivosti a hodnot posunu.
Tato nekalibrovaná počáteční chyba sestává z následujících komponent:
1. Chyba citlivosti: Velikost generované chyby je úměrná tlaku. Pokud je citlivost zařízení vyšší než typická hodnota, bude chyba citlivosti rostoucí funkcí tlaku. Pokud je citlivost nižší než typická hodnota, bude chyba citlivosti klesající funkcí tlaku. Důvodem této chyby je změny v procesu difúze.
2. Chyba offsetu: Vzhledem k konstantnímu vertikálnímu offsetu v celém rozsahu tlaku povede změny v difúzi transformátoru a korekce nastavení laseru.
3. Chyba zpoždění: Ve většině případů lze chybu zpoždění zcela ignorovat, protože křemíkové oplatky mají vysokou mechanickou tuhost. Obecně platí, že chyba hystereze je třeba vzít v úvahu pouze v situacích, kdy dochází k významné změně tlaku.
4. lineární chyba: Jedná se o faktor, který má relativně malý dopad na počáteční chybu, která je způsobena fyzickou nelinearitou křemíkového oplatky. U senzorů se zesilovači by však měla být zahrnuta také nelinearita zesilovače. Křivka lineární chyby může být konkávní křivka nebo konvexní křivka.
Kalibrace může tyto chyby eliminovat nebo výrazně snížit, zatímco techniky kompenzace obvykle vyžadují stanovení parametrů skutečné přenosové funkce systému, spíše než jednoduše pomocí typických hodnot. V procesu kompenzace lze použít potenciometry, nastavitelné rezistory a další hardware, zatímco software může flexibilnější implementace této práce s kompenzací chyb.
Metoda kalibrace jednoho bodu může kompenzovat chyby offsetu odstraněním driftu v nulovém bodě funkce přenosu a tento typ kalibrační metody se nazývá automatické nulování. Offsetová kalibrace se obvykle provádí při nulovém tlaku, zejména v diferenciálních senzích, protože diferenciální tlak je obvykle 0 za nominálních podmínek. U čistých senzorů je kalibrace offsetu obtížnější, protože buď vyžaduje, aby systém čtení tlaku měřil jeho kalibrovanou tlakovou hodnotu za podmínek okolního atmosférického tlaku nebo tlakového ovladače, aby se získal požadovaný tlak.
Kalibrace nulového tlaku diferenciálních senzorů je velmi přesná, protože kalibrační tlak je přísně nulový. Na druhé straně přesnost kalibrace, když tlak není nula, závisí na výkonu tlakového regulátoru nebo měřicího systému.
Vyberte kalibrační tlak
Výběr kalibračního tlaku je velmi důležitý, protože určuje rozsah tlaku, který dosahuje nejlepší přesnosti. Ve skutečnosti je po kalibraci skutečná chyba offsetu minimalizována v kalibračním bodě a zůstává v malé hodnotě. Proto musí být kalibrační bod vybrán na základě cílového rozsahu tlaku a rozsah tlaku nemusí být v souladu s pracovním rozsahem.
Za účelem převodu výstupního napětí na tlakovou hodnotu se obvykle používá typická citlivost pro kalibraci v matematických modelech, protože skutečná citlivost je často neznámá.
Po provedení offsetové kalibrace (PCAL = 0) ukazuje křivka chyby vertikální offset vzhledem k černé křivce představující chybu před kalibrací.
Tato metoda kalibrace má přísnější požadavky a vyšší náklady na implementaci ve srovnání s metodou kalibrace jednoho bodu. Ve srovnání s metodou kalibrace bodů však tato metoda může výrazně zlepšit přesnost systému, protože nejen kalibruje offset, ale také kalibruje citlivost senzoru. Proto při výpočtu chyb lze místo atypických hodnot použít skutečné hodnoty citlivosti.
Zde se kalibrace provádí za podmínek 0-500 megapascals (plné měřítko). Protože chyba v bodech kalibrace je téměř nula, je zvláště důležité tyto body správně nastavit, aby se získala minimální chyba měření v očekávaném rozsahu tlaku.
Některé aplikace vyžadují, aby byla vysoká přesnost udržována v celém rozsahu tlaku. V těchto aplikacích může být vícebodová kalibrační metoda použita k dosažení nejvhodnějších výsledků. U metody kalibrace s více body se zvažuje nejen kompenzační a citlivá chyby, ale také se bere v úvahu většina lineárních chyb. Zde použitý matematický model je přesně stejný jako dvoustupňová kalibrace pro každý kalibrační interval (mezi dvěma kalibračními body).
Kalibrace tří bodů
Jak již bylo zmíněno dříve, lineární chyba má konzistentní formu a křivka chyby odpovídá křivce kvadratické rovnice s předvídatelnou velikostí a tvarem. To platí zejména pro senzory, které nepoužívají zesilovače, protože nelinearita senzoru je v zásadě založena na mechanických důvodech (způsobených tlakem tenkého filmu křemíkové destičky).
Popis charakteristik lineárních chyb lze získat výpočtem průměrné lineární chyby typických příkladů a stanovením parametrů polynomické funkce (A × 2+BX+C). Model získaný po stanovení A, B a C je účinný pro senzory stejného typu. Tato metoda může účinně kompenzovat lineární chyby bez potřeby třetí kalibrační bod.
Čas příspěvku: 27.-20. února