Меню

Время отклика датчика давления это

Определение времени реакции датчиков давления без демонтажа

Nbsp; Наладка и эксплуатация систем управления Лабораторная работа № 3 Определение времени реакции датчиков давления Определение времени реакции датчиков давления лабораторными способами Для определения времени реакции датчиков давления используются три метода, отличающиеся друг от друга типом испытательного сигна­ла давления, прикладываемого на вход датчика: 1. испытание линейным сигналом; 2. испытание ступенчатым сигналом; 3. испытание периодическим сигналом.

Испытание линейным сигналом

В этом методе как на испытуемый датчик, так и на эталонный быстродействующий датчик подается ли­нейно изменяющийся сигнал давления (рисунок 1). Время реакции ис­пытываемого датчика измеряется как устанавливающееся асимптоти­чески значение запаздывания между сигналами на выходе обоих дат­чиков. Этот метод называют методом линейного сигнала, а получаемые результаты — временной задержкой линейного сигна­ла, временем реакции датчика или асимптотической временной задержкой линейного сигнала.

Рис.1. Принцип метода линейного сигнала

Оборудование, используемое для этого испытания, называют гидравлическим генератором линейного сиг­нала.

На рисунке 2 представлены упрощенная схема такого оборудова­ния и фотография полностью собранной системы для испытания дат­чиков давления.

Рис. 2. Упрощенная схема оборудования для испытания датчиков давления линейным сигналом

Система включает в себя гидравлический генератор линейного сигнала давления и связанное с ним оборудование для обра­ботки сигнала, сбора данных и их анализа.

Испытание ступенчатым сигналом

Этот метод аналогичен методу линейного сигнала за исключением того, что в нем используется ступен­чатый сигнал давления вместо линейного. Для этого метода может при­меняться то же оборудование, что и для метода линейного сигнала, или более простое оборудование, состоящее из источника давления и быст­родействующего клапана, управляемого соленоидом. Время реакции определяется как время, которое требуется, чтобы сигнал на выходе датчика достиг 63,2% от своего установившегося значения в стационар­ном режиме после ступенчатого изменения сигнала на входе.

Испытание периодическим сигналом

В этом методе использует­ся генератор периодического сигнала давления, позволяющий полу­чать сигнал в форме синусоиды. Этот сигнал подается на эталонный и на испытуемый датчики. Сигналы на выходе обоих датчиков использу­ются для построения логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ). По этой диаграмме можно оценить время реакции датчика (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип метода испытания периодическим сигналом

В методе испытания периодическим сигналом используют два типа оборудования, в зависимости от рабочего диапазона испытуемого датчика. В оборудовании для испытания при низком давлении используется движение поршня в цилиндре, присоединенном к трубе с потоком жидкости, чтобы получать меняющийся во времени волновой сигнал, аналогичный синусоиде.
Оборудование снабжено трансмиссией, позволяющей менять частоту
колебаний сигнала. В приборе, используемом для испытаний при высо­ком давлении (рисунок 5), применяется преобразователь тока в давление, позволя­ющий получать меняющийся во времени сигнал, который усиливается усилителем давления.

При помощи этих методов можно полу­чать время реакции датчиков с приемлемой точностью.

С теоретической точки зрения, для датчиков с передаточной функцией первого порядка и с линейной характеристикой все три метода должны давать одинаковые результаты измерения времени реакции.

Рис. 5. Структурная схема лабораторного стенда для испытания периодическим сигналом высокого давления

Однако у датчиков давления имеется некоторая нелинейность характеристик. Это приводит к тому, что различные методы дают различные результа­ты измерения времени реакции.

Определение времени реакции датчиков давления без демонтажа

Времена реакции датчиков давления обычно не зависят от условий технологической среды и условий их установки, поэтому методы, кото­рые были описаны ранее для определения времени реакции, подходят для измерения времени реакции датчиков давления.

Тем не менее для проверки времени реакции датчиков давления при тех условиях, которые определяются местом их установки в технологичес­кое оборудование, были разработаны методы испытания датчиков без их демонтажа. Эти методы были разработаны для упрощения тестирова­ния, чтобы проверка времени реакции датчиков могла быть выполнена на расстоянии, без необходимости физического доступа к ним.

Для проверки времени реакции датчиков давления без их демонтажа применяют два метода: метод анализа шумов и испытание переры­вом энергоснабжения (ПЭ). Испытание ПЭ можно использовать только для проверки времени реакции датчиков давления, основанных на принципе равновесия сил. Метод анализа шумов может применять­ся для проверки времени реакции большинства видов промышленных датчиков давления без их демонтажа.

Метод анализа шумов

Этот метод основан на мониторинге естественных флуктуаций, которые обычно присутствуют на выходе датчиков давления во время работы технологического оборудования. Этот подход проиллюстрирован на
рисунке 6, где выходной сигнал датчика давления представлен как функция времени во время нормальной работы установки.

Рис. 6. Шум процесса на нормальном сигнале от датчика

Очевидно, что когда процесс протекает нормально, сигнал на выходе датчика представля­ет собой постоянную величину, соответствующую давлению рабочей среды, показываемому датчиком. Эту постоянную величину часто назы­вают величиной постоянного тока, как это представлено на рисунке 6.

На этом рисунке часть сигнала датчика также представлена при большом увеличении, чтобы показать, что на выходе датчика естественным образом присутствуют небольшие флуктуации.

Этот флуктуационный сигнал, который называют шумом или компонентой переменного тока, вызывается, по крайней мере, двумя видами явлений.

Во-первых, давле­ние процесса обладает свойственными ему флуктуациями, вызываемы­ми турбуленцией, случайными явлениями передачи тепла, вибрацией и другими эффектами. Во-вторых, в сигнале почти всегда присутствуют электрические и другие помехи. К счастью, эти два вида явлений проис­ходят при сильно различающихся частотах и их можно разделить при помощи фильтров. Два компонента шума должны быть разделены, пото­му что при проведении анализа шумов мы заинтересованы только в тех флуктуациях, источником которых является технологический процесс.

Читайте также:  Датчик коленвала l200 4d56 где находится

На рисунке 7 показано извлечение из первичного сигнала датчика, включающего как постоянную, так и переменную составляющие, шу­мовой составляющей.

Рис. 7. Последовательность выделения шумов

Как показано на рис. 7, первым шагом в этом процессе является удаление постоянной составляющей. Этого дости­гают путем добавления отрицательного смещения или использования электронного фильтра верхних частот. Следующим шагом является усиление сигнала и пропускание его через фильтр нижних частот. Фильтр нижних частот удаляет внешний шум и устраняет нежела­тельные спектральные составляющие, прежде чем направить сигнал через аналого-цифровой преобразователь на компьютер сбора данных. Компьютер производит выборку данных с надлежащей скоростью их отбора и сохраняет их для последующего анализа. На
рисунке 8 показа­ны необработанные данные шумов, полученные от датчика давления на работающей электростанции.

Рис. 8. Запись необработанных шумов от датчика давления в реальном процессе

Эти данные представляют собой есте­ственные флуктуации процесса и включают информацию, необходи­мую для определения времени реакции датчика, от которого данные были получены. Эти данные являются небольшой частью регистрируе­мых шумов, из которых производится выборка информации для каждо­го испытываемого датчика давления. Полная запись данных о шумах длится примерно от 30 мин до 60 мин.

Для получения времени реакции датчика данные о шумах анализируют. Для этого применяют ана­лиз в частотной области. При частотном анализе вычисляют спектр данных, используя такую методику, как быстрое преобразование Фурье.

На рисунке 9 приводится спектр шумового сигнала от датчика давления на работающей электростан­ции. Заметим, что спектр выражен в единицах спектральной плотно­сти мощности (СПМ). СПМ — это дисперсия сигнала в небольшом диапазоне частот в зависимости от частоты, графически выражаемая как функция частоты. Для простых систем первого порядка СПМ. явля­ется достаточным параметром для определения времени реакции дат­чика.

Рис. 9. Спектр шума в сигнале датчика давления

Это время определяется путем измерения частоты излома (Fb) СПМ, как показано на рисунке 10. Датчики давления, однако, не обяза­тельно являются датчиками первого порядка, и графики СПМ реаль­ных сигналов недостаточно гладкие для того, чтобы можно было изме­рить частоту излома так просто, как это показано на рисунке 10.

Рисунок 10. СПМ системы первого порядка

На са­мом деле графики СПМ часто содержат резонансы и другие эффекты процесса, которые усложняют процедуру определения времени реак­ции при помощи метода анализа шумов. Например, нужно иметь проверенную динамическую модель датчика, чтобы применить ее вместе с графиком СПМ для получения времени реакции датчика. Такая аналитическая модель, которая обычно является уравнением в частотной области, подгоняется под график СПМ, что позволяет получить пара­метры модели. Затем эти параметры используются в модели для вы­числения времени реакции датчика давления.

На рисунке 11 показана СПМ и модель, подогнанная под СПМ. Эти данные получены от датчика расхода на работающей электростанции.

Рис. 11. СПМ датчика давления и подгонка модели под СПМ

Модель для анализа датчика давления в частотной области может быть представлена как передаточная функция (G),связывающая входной и выходной сигналы датчика.

(1)

δО – выход­ной сигнал, который меняется в ответ на меняющийся во времени входной сигнал (δI).

Если давление процесса соответствует стационарному режиму и его флуктуации случайны, то в этом случае говорят о сигнале типа бело­го шума, СПМ которого является постоянной величиной, то есть:

(2)

Выражение (2) показывает, что СПМ флуктуаций на выходе дат­чика пропорциональна значению передаточной функции датчика, из чего может быть получено время реакции датчика. Поэтому, если у нас имеется СПМ шума на выходе датчика, мы можем определить его передаточную функцию и затем время реакции. Это справедливо, если наше допущение, что шум на входе (флуктуации процесса) является белым шумом, правильно, означая, что спектр шума имеет плоскую форму.

Процедура для частотного анализа данных шума проиллюстрирована на рисунке 12. Этот анализ включает в себя проведение быстрого преобразования Фурье по отношению к выходному сигналу датчика, чтобы получить СПМ. Затем методом подгонки находится функция (то есть аналитическая модель датчика), подходящая для описания СПМ, пара­метры этой функции определяются и используются для вычисления времени реакции датчика.

Рис. 12. Процедура анализа в частотной области

Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 411 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Практика применения датчиков давления STMicroelectronics

Александр Калачев (г. Барнаул)

Растет практика применения миниатюрных MEMS-датчиков давления: лабораторные приборы, смартфоны, портативные гаджеты для фитнеса и контроля здоровья. STMicroelectronics производит обширную линейку этих датчиков на базе собственной технологии VENSENS и предлагает экосистему из датчиков разного типа, средств отладки и программных продуктов для работы.

В современных условиях датчики состояния окружающей среды (или климатические датчики) могут использоваться для различных целей.

Первая и очевидная цель – мониторинг и управление микроклиматом здания или отдельных комнат в составе систем вентиляции и кондиционирования. Отдельного внимания заслуживает управление микроклиматом замкнутых объемов, например, транспортных контейнеров, контейнеров рефрижераторов и тому подобного – это может быть критически важным для сохранности грузов.

Не меньший интерес представляют мобильные и носимые устройства. На текущий момент достаточно большое количество мобильных устройств оснащаются климатическими датчиками, позволяющими добавлять новые функции или сервисы в мобильные приложения.

Читайте также:  Атол 77ф датчик закрытия крышки

В качестве носимых устройств часто выступают смарт-часы, фитнес браслеты и прочие подобные устройства, ориентированные в основном на спортивные применения и отслеживание физической активности.

От самих датчиков требуются достаточно высокая точность, разрешающая способность, предельно малые габариты и низкое энергопотребление. В ряде случаев требуется также устойчивость к внешним воздействиям.

Датчики давления в системах управления микроклиматом и в мобильных устройствах присутствуют пока нечасто. Тем не менее, налицо явная тенденция к расширению возможных применений. Помимо климатического контроля и отслеживания погодных явлений, сферами применения датчиков давления являются локальное позиционирование – определение высоты, а также учет физической активности.

Датчики давления ST Microelectronics

Сверхмалые кремниевые датчики давления STMicroelectronics используют разработанную ST инновационную технологию VENSENS, позволяющую изготавливать датчик давления на монолитном кремниевом чипе, устраняя в принципе соединения кристалла с сенсорным элементом, повышая тем самым точность и надежность датчика и существенно снижая уровень шумов.

В результате датчики обладают высоким разрешением по давлению и могут быть выполнены в сверхкомпактных и тонких корпусах. Ключевыми особенностями датчиков давления ST MEMS являются:

  • встроенная температурная компенсация, которая позволяет приложениям стабильно работать в изменяющихся условиях;
  • широкий диапазон абсолютного давления от 260 до 1260 ГПа, охватывающий все возможные высоты (от самых глубоких шахт до вершины Эвереста);
  • низкое энергопотребление – менее 4 мкА;
  • низкий уровень шума давления – среднеквадратичное значение шума ниже одного паскаля.

Основные интерфейсы взаимодействия с микроконтроллерами (один из вариантов, в зависимости от настроек) – I 2 C, SPI, у некоторых моделей – MIPI I 3 C.

Датчики LPS22CH, LPS22HB, LPS22HH, LPS25HB выполнены в низкопрофильных пластиковых корпусах LGA с вентиляционным (HLGA) отверстием для доступа газа к сенсорному элементу (рисунок 1). Данные серии ориентированы на применения в устройствах, не предназначенных для прямого контакта с водой или сильно загрязненными воздушными средами.

Рис. 1. Внешний вид датчиков давления серий LPS22CH, LPS22HB, LPS22HH, LPS25HB

Серия LPS25HB способна работать при повышенных температурах – верхний предел ее рабочей температуры 105°C.

LPS27HHTW, LPS33HW, LPS33K выпускаются в керамических корпусах LGA с переходным металлическим кольцом, заполненным специальным гелем для передачи давления среды сенсорному элементу (рисунок 2). Такой барьер позволяет измерять давление не только в воздухе, но и в жидкостях, что открывает широкий спектр применений, от спортивных часов до контроля уровня жидкостей в промышленных емкостях.

Рис. 2. Внешний вид датчиков давления серий LPS27HHTW, LPS33HW, LPS33K

Основные характеристики датчиков давления представлены в таблице 1.

Таблица 1. Линейка датчиков давления ST Microelectronics

Наименование Максимальная частота измерений, Гц Диапазон измеряемых давлений (уровень шума, RMS), ГПа Типовой ток потребления, мкА Ток потребления в сберегающем режиме, мкА Ток потребления в режиме ожидания, мкА Размеры, мм
LPS22CH 200 660…1160 (0.0065) 12 4 0,9 2×2×0,76
LPS22HB 75 260…1260 (0.0075) 12 3 1 2×2×0,76
LPS22HH 200 260…1260 (0.0065) 12 4 0,9 2×2×0,73
LPS25HB 25 260…1260 (0.01) 25 4 0,5 2,5×2,5×0,76
LPS27HHTW 200 260…1260 (0.007) 12 4 0,9 2,7×2,7×1,7
LPS27HHW 200 260…1260 (0.007) 12 4 0,9 2,7×2,7×1,7
LPS33HW 75 260…1260 (0.008) 15 3 1 3,3×3,3×2,9
LPS33K 75 260…1260 (0.008) 2 4 3,3×3,3×2,9
LPS33W 75 260…1260 (0.02) 15 3 1 3,3×3,3×2,9
LPS35HW 75 260…1260 (0.008) 15 3 1 3,5×3,5 ×1,85

Особенности интеграции датчиков давления в устройство

Интеграция датчиков давления, равно как и датчика температуры, в мобильные и носимые устройства – смартфоны, смарт/спортивные часы, метеостанции или промышленное оборудование – должна осуществляться без ущерба для производительности датчика и точности его показаний. Это несложно, достаточно учитывать ряд рекомендаций и факторы, влияющие на показания датчика.

Для получения надежных и повторяющихся (при совпадении внешних условий) измерений все элементы, участвующие в механической конструкции, должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить максимальный отклик датчика на изменения во внешней среде и минимизировать время отклика с точки зрения давления и температуры, совместимое с требуемыми техническими характеристиками конструкции.

Каждое изменение условий внешней среды должно отражаться в измерениях, сообщаемых датчиком, особенно критичны быстрые изменения давления и температуры.

На отклонения между тестируемыми условиями и условиями вокруг зоны измерения также влияют источники тепла, поступающие от других устройств, расположенных вблизи зоны измерения, или самонагрев датчика. Критичными являются изменения температуры датчика, так как из-за этого его показания не будут совпадать с температурой среды, а также будут вносить определенный момент инерции.
В соответствии с изложенными соображениями, оптимизация дизайна состоит в следующем:

  1. надлежащее размещение датчика в системе;
  2. вариант выполнения и корпус датчика;
  3. защита датчика.

Для обеспечения максимальной производительности датчика в статических и динамических условиях рекомендуется:

  1. располагать датчик как можно ближе к измеряемой среде;
  2. минимизировать объем, стараясь адаптировать корпус к геометрии датчика, поскольку большой «мертвый объем» увеличит время отклика на изменение давления;
  3. размещать вентиляционное отверстие как можно ближе к датчику;
  4. свести глубину вентиляционного отверстия к минимуму.

Также нежелательны прямые механические воздействия на корпус датчика (см. рисунок 3).

Рис. 3. Примеры размещения датчиков давления в корпусе устройства

Еще одним источником возможных систематических ошибок в показаниях датчика является его дополнительный нагрев, вызванный кондуктивной или конвекционной теплопередачей от таких компонентов устройства с повышенным тепловыделением, как:

  • контроллеры питания, преобразователи напряжения, силовые диоды и транзисторы;
  • GPS-модули;
  • процессоры, микроконтроллеры, микросхемы оперативной памяти;
  • ЖК-дисплеи, система подсветки, контроллеры дисплеев.
Читайте также:  Какие датчики бывают у эхолота лоуренс

Рекомендуется по возможности размещать датчики на печатной плате как можно дальше от тепловыделяющих элементов, минимизировать толщину дорожек, идущих к ним. Для защиты от конвекционных потоков желательно применять физические теплоизоляционные барьеры (рисунок 4).

Рис. 4. Рекомендации по размещению датчиков давления относительно тепловыделяющих элементов

Пример одного из вариантов расположения в корпусе смартфона представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Один из вариантов расположения датчика давления в корпусе смартфона

Для герметичных датчиков в керамических корпусах с металлическим кольцом рекомендации по расположению относительно тепловыделяющих элементов остаются практически аналогичными. За счет герметичности и возможности доступа датчика непосредственно к среде нет необходимости в организации вентилируемого объема – кольцо датчика может быть выведено практически вровень с корпусом (рисунок 6). Единственным требованием остается отсутствие перекоса при монтаже датчика и отсутствие боковых механических нагрузок. Герметичность корпуса может быть обеспечена применением резинового или силиконового уплотнительного кольца (внутренний диаметр 1,15 мм, толщина 1 мм).

Рис. 6. Пример установки датчика с металлическим кольцом в корпус устройства

Внутренняя структура, режимы работы и реализация программной части для взаимодействия с датчиком давления

Структурная схема датчиков давления STMicroelectronics представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Структурная схема датчиков давления ST Microelectronics

Аналоговая часть представлена сенсорными элементами: пьезорезистивный мост, реагирующий на изменения давления, а также температурный датчик – и состоит из малошумящего усилителя, который преобразует дисбаланс сопротивления первичных сенсоров в аналоговое напряжение. Далее с помощью аналого-цифрового преобразователя показания оцифровываются (давление – 24 бита, температура – 16 бит), подвергаются первичной обработке (фильтрация шумов и термокомпенсация), после чего данные о давлении и температуре могут быть доступны через интерфейс I 2 C/SPI.

Датчик, таким образом, напрямую взаимодействует с микроконтроллером.

Датчики оснащены выводом сигнала готовности к передаче данных, который указывает, когда доступен новый набор данных об измеренном давлении и температуре, что упрощает синхронизацию данных в измерительной системе и освобождает микроконтроллер от необходимости постоянных запросов о готовности.

Все датчики проходят обязательную заводскую калибровку, поправочные данные записываются в энергонезависимую память и копируются в соответствующие регистры датчика при его включении.

Датчики давления имеют три режима работы:

  • режим пониженного потребления: отключены все внутренние блоки, кроме I 2 C-интерфейса;
  • режим одиночных измерений: измерение запускается по запросу хост-контроллера;
  • непрерывный режим: после запуска данного режима измерения производятся автоматически с заданной частотой и разрешением, также в цепь предварительной обработки данных может быть дополнительно включен встроенный фильтр нижних частот.

Для удобства работы датчики имеют 32-элементный FIFO-буфер для хранения выходных значений давления и температуры. Ячейки буфера 40-битные – соответственно 24 бита под данные давления и 16 под температуру. Это обеспечивает экономию энергии и вычислительных ресурсов для системы: хост-процессору не нужно непрерывно опрашивать данные с датчика, он может просыпаться только при необходимости и извлекать данные из FIFO. FIFO-буфер может работать в нескольких режимах: режим обхода (Bypass mode), режим FIFO (FIFO mode), режим потока (Stream mode), режим динамического потока (Dynamic-Stream mode), режим преобразования потока в FIFO (Stream-to-FIFO mode), режим обхода в поток (Bypass-to-Stream) и режим обхода в FIFO (Bypass-to-FIFO mode).

Дополнительно к FIFO датчики давления могут быть сконфигурированы для генерации прерываний, связанных с изменением давления или статусом FIFO-буфера – по срабатыванию условий изменяется уровень на выводе INT_DRDY.

Режимы прерывания, связанные с давлением:

  • окончание измерения и готовность данных;
  • выход текущего давления за установленные границы

Режимы прерывания, связанные с FIFO:

  • по заданному уровню заполнения FIFO;
  • по заполнению FIFO;
  • по переполнению FIFO.

Средства разработки

X-NUCLEO-IKS01A3 – оценочная плата с датчиками движения и окружающей среды (рисунок 8).

X-NUCLEO-IKS01A3 совместима с компоновкой разъема Arduino UNO R3 и имеет в составе:

  • LSM6DSO: MEMS трехосевой акселерометр (±2/±4/±8/±16 g) + трехосевой гироскоп (±125/±250/±500/±1000/±2000 dps);
  • LIS2MDL: MEMS трехосевой магнитометр (±50 Гс);
  • LIS2DW12: MEMS трехосевой акселерометр (±2/±4/±8/±16 g);
  • LPS22HH: MEMS датчик давления с цифровым выходом (260…1260 Гпа в абсолютных единицах);
  • HTS221: емкостной датчик относительной влажности и температуры с цифровым выходом;
  • STTS751: датчик температуры (-40…125°C);
  • DIL 24-штырьковый разъем для подключения дополнительных MEMS-датчиков и датчиков другого типа.

По умолчанию X-NUCLEO-IKS01A3 взаимодействует с микроконтроллерами STM32 оценочных плат NUCLEO посредством интерфейса I 2 C. Разработчикам доступна свободная библиотека встроенного ПО для комплексной разработки с примерами кода для всех датчиков в рамках программной экосистемы STM32Cube.

Рис. 8. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A3

X-NUCLEO-IKS01A2 (рисунок 9), похожая демонстрационная плата с датчиками движения и окружающей среды, является по факту платой расширения для отладочных микроконтроллерных плат семейства STM32 Nucleo.

Рис. 9. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A2

Плата X-NUCLEO-IKS01A2 включает в себя:

Основное взаимодействие с хост-контроллером на плате STM Nucleo осуществляется по интерфейсу I 2 C.

Заключение

Датчики давления ST все чаще используются в смартфонах, планшетах и персональных гаджетах, таких как спортивные часы, умные часы и фитнес-трекеры, обеспечивая точное определение высоты и дополнительные сервисы на основе определения локального местоположения, позволяя производить более точные расчеты. Это открывает широкое поле для новых приложений и сервисов смартфонов и носимых устройств, таких как анализаторы погоды, мониторы здоровья и спортивной активности.

Источник

Adblock
detector