Сенсор (чувствительный элемент, измерительная ячейка) — это основной элемент любого преобразователя давления. Сенсоры преобразуют изменения своих физических свойств, возникающих под воздействием давления, в электрический сигнал.
Существует несколько технологий производства сенсоров. По степени применяемости в настоящий момент они таковы: тензорезистивная, пьезорезистивная, емкостная, индуктивная, частотная. У каждой из них есть свои положительные и отрицательные стороны. В разных отраслях промышленности для различных измерений применяют датчики давления с определенным типом сенсора. При выборе датчика на конкретное место применения учитывают требуемую точность измерения, температуры измеряемой и окружающей сред, доступность места для регламентных работ на датчике, агрессивность измеряемой среды, да и цена играет тоже не последнюю роль. Сегодня речь пойдет о керамических сенсорах.
Технологии производства керамических сенсоров
Керамические сенсоры были первой массовой технологией производства ячеек измерения давления. Первые выпускаемые керамические сенсоры основывались на емкостном методе. Они были разработаны в 1970-е годы американскими компаниями и предназначались для измерения давления в выхлопных коллекторах автомобильных двигателей с целью мониторинга соответствия экологическим требованиям.
В дальнейшем, при внедрении электронных измерителей давления в промышленность и ЖКХ, именно керамические сенсоры оказались наиболее простыми и недорогими в производстве, что позволило этой технологии занять более 60 % рынка первичных бюджетных измерений давления.
В своем развитии керамические сенсоры претерпели множество изменений в конструкции, с 1990-х годов преобладающей стала технология, основанная на мостовой схеме Уитстона с напыленными на «тыльной» стороне ячейки тензорезисторами.
У компании «ОВЕН» — это преобразователи давления для ЖКХ ПД100-311 и ПД100-371. С 2019 года эти модели датчиков «ОВЕН» выпускает, в том числе и с погрешностью 0,5 % ВПИ.
Какие же технические решения позволили тензометрической керамике вырваться вперед?
- Во-первых, была решена проблема сцепления керамики и тензомоста — мост не приклеивается, как раньше, а напыляется с последующей лазерной подрезкой резисторов.
- Во-вторых, сам керамический корпус теперь не спекают из порошка, а отливают — в форму заливают кремнийорганический состав, что позволяет максимально точно выдерживать геометрию сенсора.
- В-третьих, на сенсор напыляются дополнительные резисторы, что позволяет обеспечить компенсацию температурной погрешности сенсора в диапазоне от -60 до +125 °С.
Эти технические решения расширили области применения бюджетных датчиков давления на основе керамических сенсоров и позволили наладить массовое производство керамических ячеек с минимальными сроками и стабильным качеством.
Керамические сенсоры в датчиках давления ОВЕН
«ОВЕН» в своих преобразователях давления ОВЕН ПД100 моделей 311 и 371 с 2013 года использует керамические тензорезистивные сенсоры французской фирмы CitySensors. С производителем налажено тесное сотрудничество вплоть до выпуска сенсоров по техническому заданию «ОВЕН».
В августе 2018 года на заводе «ОВЕН» в г. Богородицке Тульской области был запущен промышленный конвейер по производству линейки керамических сенсоров, в котором практически исключены ручные операции при их производстве. Эти новации позволили снизить брак по преобразователям линейки ПД100-3х1 с 5,3 % в 2017 году до 0,46 % в 2019 г. и открыть производство датчиков с керамическими сенсорами с погрешностью 0,5 % ВПИ.
Плюсы и минусы керамических сенсоров
Основными преимуществами преобразователей давления на керамических тензометрических сенсорах являются:
- диапазон температуры измеряемой среды от –-60 до +125 °С — шире, чем у сенсоров с мембраной из нержавеющей стали (-40…+100 °С);
- малая дополнительная температурная погрешность во всем температурном диапазоне — от 0,06 до 0,13 % ВПИ на 10 °С;
- высокая долговременная стабильность — средний зафиксированный дрейф характеристики не более 0,08 % ВПИ в год;
- низкая себестоимость сенсоров, позволяющая создавать качественные бюджетные преобразователи для ЖКХ;
- высокая химическая и коррозионная стойкость сенсора и датчика в целом при условии применения соответствующего материала
уплотнения; - возможность применения датчиков для измерения давления кислорода вследствие отсутствия масел в составе сенсора.
Из недостатков керамических сенсоров стоит отметить, во-первых, низкую чувствительность. Фарфоровая мембрана плохо прогибается под небольшими давлениями, что не позволяет производить датчики на диапазоны измерений менее 100 кПа (1 бар). Этот же недостаток не позволяет калибровать основную погрешность керамических датчиков лучше, чем 0,5 % ВПИ.
Вторая слабая сторона керамического сенсора — низкая устойчивость к гидроударам (скачкообразным перегрузкам). Твердая керамическая мембрана раскалывается, в отличие от мембраны из нержавеющей стали, которая частично сохраняет характеристики датчика даже после гидроудара.
Перспективы производства керамических сенсоров
В новой модели преобразователя ПД100- 3х1-0,5 с погрешностью измерения 0,5 % компания «ОВЕН» планирует устанавливать интегрированные в конструкцию датчика демпферы гидроудара.
Компания «ОВЕН», производящая преобразователи давления на основе керамических сенсоров с 2013 года, рекомендует такие датчики для применения как оптимальное решение для измерения давления в ЖКХ и вторичных процессах производств. За прошедшие семь лет эти сенсоры показали себя только с самой положительной стороны. Производственные сложности, связанные с ручной сборкой преобразователей ОВЕН ПД100 моделей 311 и 371, полностью устранены с запуском конвейера в 2018 году.
