Преобразователь давления многоканальный Inser 1801 / Inser 1804

Преобразователь давления многоканальный Inser 1801 предназначен для измерения избыточного давления – разрежения одновременно в 16, 32 (или др.) точках, при этом обратная полость для всех каналов общая (штуцер «дренаж»).

Преобразователь давления многоканальный (ПДМ) (сканер давления, многоканальный модуль давления) Inser 1801/32 имеет встроенный мультиплексор, управляемый параллельным пятиразрядным двоичным кодом и позволяющий считывать данные с одного из 32 чувствительных элементов. Номер выбранного канала соответствует значению двоичного кода на входах мультиплексора. Inser 1801/32 имеет встроенный термостабилизатор, поддерживающий температуру чувствительных элементов на уровне 70 гр. (или другое, по согласованию). Термостабилизатор состоит из интегрального термодатчика с нормированной долговременной стабильностью, схемы управления (П-регулятор) и распределенного по поверхности теплопроводящей рампы управляемого нагревательного элемента. Схема поддерживает температуру чувствительного элемента давления (ЧЭД) с высокой точностью на установленном уровне. Это позволяет значительно улучшить метрологические характеристики преобразователя (вариант Inser 1801/32mux).  Перспективным также является вариант такого устройства со встроенной схемой оцифровки и цифровым выходным интерфейсом RS-485 (Inser 1804/32).

Установочные и габаритные размеры преобразователя давления многоканального Inser 1801/32:

 Основные характеристики преобразователя давления многоканального Inser 1801/32:

Внешний вид преобразователя давления многоканального Inser 1801/32:

Благодаря малым размерам чувствительного элемента (2х2 мм) возможно размещение большого количества таких ЧЭД в пространстве достаточно малых размеров. Кристалл ЧЭ выполнен по технологии МЭМС и закреплен на кремниевом же пьедестале. ЧЭД с пьедесталом размещены внутри прямоугольного выреза металлической рампы из материала 29НК с КЛТР, близким к КЛТР кремния. Этот способ позволяет в высокой степени развязать кристалл чувствительного элемента от внешних температурных и механических воздействий и достичь высоких метрологических характеристик. Для достижения наилучших результатов ЧЭД термостатированы, т.е. в рабочем режиме находятся в области стабильной температуры, установленной немного выше наивысшей возможной температуры окружающей среды (как правило, температура установлена 60°С или 70°С).

Непосредственно на рампе, прилегая к ней по большой площади, размещена плата термостата (на рисунке снизу). Она выполнена из поликора, т.е. керамики с высоким коэффициентом теплопроводности и КЛТР, близким к материалу рампы. Интегральные нагревательные элементы равномерно размещены на плате по всей площади рампы, что позволило получить низкое тепловое сопротивление нагреватель-рампа и равномерное нагревание рампы. Датчик температуры смонтирован непосредственно на поверхности рампы и подключен через ПИ-регулятор к управляемому нагревательному элементу.

Структура «нагревательный элемент с управляемой мощностью» позволяет получить высокую равномерность нагрева по всей площади, по сравнению со структурой «регулирующий элемент – нагреватель», где тепловая мощность выделяется и на регулирующем, и на нагревательном элементе. Схема термостата полностью аналоговая, так как в непосредственной близости от ЧЭ и слаботочных цепей использование импульсных схем (ШИМ, ЧИМ) чревато ухудшением метрологических характеристик.

Другие импульсные цепи (микроконтроллер и другие цифровые узлы в варианте Inser 1804/32) максимально разнесены от ЧЭ и малосигнальных цепей. Теплопроводящая рампа теплоизолирована от внешней части корпуса тонким слоем вспененного теплоизолятора с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м*К), что существенно снижает температурные градиенты по рампе, уменьшает потребляемый ток и позволяет работать при меньшей температуре окружающей среды. Следует заметить, что первые варианты преобразователей не имели внутренней теплоизоляции и при температуре ниже +10…+15°С нуждались в дополнительной внешней теплоизоляции.

Сверху на рампе установлена плата предварительной настройки ЧЭД (ППН). В процессе настройки для удобства последующего использования снижается начальный разбаланс резистивных мостов ЧЭД с ±5% до ±1% и разброс чувствительности с ±20% до ±1%. Эта плата также выполнена из поликора. Таким образом, обратная полость, общая для всех ЧЭД, образована двумя платами из керамики с высоким коэффициентом теплопроводности и металлической (коваровой) рампой, т.е. ЧЭД находятся в, своего рода, теплопроводном «коконе», разность температур в разных точках которого и во времени не превышает десятых долей градуса.

Конструкция преобразователя давления многоканального Inser 1801/32:

Выходы мостов ЧЭД подключены к быстродействующему мультиплексору, управляемому параллельным двоичным кодом с уровнями TTL. Номер выбранного в данный момент времени канала измерения соответствует значению пятиразрядного двоичного кода на адресных входах мультиплексора. Благодаря высокому быстродействию мультиплексора и подключенного к его выходу усилителя возможно проведение большого количества измерений за короткий промежуток времени, что позволяет многократно произвести полный цикл измерения (по всем каналам) с последующим усреднением для каждого канала по десяткам, сотням и даже тысячам отсчетов. При этом влияние различных шумовых помех (цифровые шумы, вариация ЧЭД, шумы воздушного потока и т.п.) практически нивелируется, а разность во времени произведения измерений между каналами не играет никакой роли по периоду усреднения.

В преобразователях давления Inser 1804/32 усреднение производится силами встроенного микроконтроллера. Благодаря этому значительно снижается трафик по цифровому интерфейсу и становится возможным произвести практически одновременные измерения в системе с большим количеством преобразователей Inser 1804/32 с последующим последовательным опросом всех преобразователей и чтением результатов измерения. Усреднение может производиться по любому количеству измерений из ряда 2n от 2 до 210, оптимально по 64, 128 или 256.

Блок-схема электроники преобразователя давления многоканального Inser 1804:

Где ЧЭД - чувствительные элементы давления, MUX - мультиплексор, IA - инструментальный усилитель, ADC - аналого-цифровой преобразователь, MCU - микроконтроллер, RS485 - преобразователь интерфейса.

Питание преобразователя осуществляется от источника постоянного тока напряжением +7...+14 В (оптимально +8...+12В). Высоких требований по стабильности питающего напряжения не предъявляется, но оно не должно выходить за указанные пределы при изменении значения тока, потребляемого одним преобразователем, от 25 мА до 1000 мА, что может представлять сложность при большой длине соединительных кабелей и большом количестве преобразователей в системе. Питание преобразователя осуществляется от источника постоянного тока напряжением +7...+14 В (оптимально +8...+12В).

Высоких требований по стабильности питающего напряжения не предъявляется, но оно не должно выходить за указанные пределы при изменении значения тока, потребляемого одним преобразователем, от 25 мА до 1000 мА, что может представлять сложность при большой длине соединительных кабелей и большом количестве преобразователей в системе.

При построении систем, содержащих некоторое количество измерительных преобразователей Inser 1801/32mux (или Inser 1804/32 в аналоговом режиме) необходим дополнительный узел - дифференциальный аналоговый мультиплексор, предназначенный для подключения одного из преобразователей к средству измерения. Адресные входы всех преобразователей объединяют. Например, для системы на 512 точек измерения давления необходимо 16 преобразователей Inser 1801/32mux или Inser 1804/32 и аналоговый мультиплексор с 16 дифференциальными входами (например, интегральный ADG726).

Устройство управления для выбора точки измерения должно формировать параллельный 9 разрядный двоичный код, из которых 5 разрядов подключаются к шине адреса канала преобразователей и 4 разряда к адресным входам мультиплексора второго уровня. Шина питания и источник должны допускать максимальный потребляемый ток не менее суммы максимально возможных потребляемых токов всех устройств, в данном случае 16 А.

Для получения хороших метрологических параметров источник адресного кода и устройство измерения напряжения должны быть гальванически изолированы от других электротехнических систем.

При построении системы на преобразователях Inser 1804/32 с использованием цифрового интерфейса RS-485 из дополнительных вспомогательных устройств требуется только терминальный резистор. Все преобразователи соединяются параллельно. Шину данных RS-485 следует выполнять экранированной витой парой в соответствии со спецификацией RS-485. Шина питания выполняется в соответствии с общепринятыми рекомендациями и особенностей не имеет.

Следует заметить, что из-за ограничения размеров драйвер интерфейса RS-485 в преобразователях выполнен без гальванической развязки, поэтому для обеспечения надежной работы системы гальваническую развязку должен иметь интерфейс управляющего устройства.

Типовое построение сети преобразователей давления серий Inser 18x4: 

Таким образом, преобразователи серии INSER180x/32 являются очень удобным, малогабаритным, точным и гибким в использовании инструментом для построения многоточечных систем измерения давления. Они некритичны к источнику питания (требуется один однополярный источник напряжением 7…14 В), оснащены полностью автономным (не имеющим внешних дополнительных узлов) термостабилизатором с ПИ-регулятором, имеют дифференциальный выход с размахом сигнала до ±3,5 В и цифровой интерфейс RS-485 (Inser 1804/32), что позволяет сохранить высокую точность при использовании достаточно длинных линий связи. И при всем этом преобразователь имеет непревзойденные на данный момент массогабаритные показатели – менее 0,55 г и 0,17 см3 на канал!