Пластиковые датчики давления от Honeywell

Диапазон измеряемых давлений от 0 до 1700 кПа, огромное число моделей и конструктивных вариантов, применение в медицине, биохимии, нефтехимии, пищевой промышленности, системах кондиционирования и очистки воздуха, лабораторном оборудовании, в системах контроля промышленных технологических процессов — все это пластиковые датчики давления от Honeywell для монтажа на печатную плату.

Одной из впечатляющих групп продукции из портфолио компании Honeywell являются датчики различных физических величин. Особенно это каcается величин, связанных с взаимодействием с внешней средой — это датчики влажности, тензодатчики, датчики давления.

Honeywell является одним из мировых лидеров по производству датчиков давления. В предлагаемом ассортименте датчиков давления присутствуют приборы для применения в самых различных областях — от измерения кровяного давления, до датчиков летательных аппаратов. Присутствуют датчики с различными характеристиками, в различном конструктивном и климатическом исполнении. Ассортимент датчиков давления Honeywell в настоящий момент насчитывает несколько тысяч наименований.

Основой датчиков давления Honeywell является тензочувствительный элемент. Это, как правило, четыре идентичных пьезорезистора, имплантированных в канавки, вытравленные на поверхности кремниевой мембраны и соединенных по мостовой схеме. Внешнее давление вызывает деформацию мембраны, что приводит к разбалансировке моста. Значение создаваемого напряжения рассогласования (полезный сигнал) прямо пропорционально приложенному давлению.

Датчик давления измеряет разницу давлений, подведенных с разных сторон мембраны. При этом, как правило, одно из них должно быть подведено через порт подвода. Давление обычно прилагается со стороны пьезорезистивного моста мембраны. Давление, используемое с противоположенной стороны мембраны, определяет тип датчика и является опорным. Компания Honeywell производит датчики для измерения абсолютного, дифференциального, избыточного давления, датчики разрежения [1J.

Все датчики давления, производимые Honeywell, по типу их исполнения можно поделить на два больших класса:
•   датчики нижнего (0...250 Па... 0...1700 кПа) и среднего (0...1 кПа 0...1000 кПа) диапазона давлений, выпускаемые в пластиковом исполнении, монтируемые па плату;
•   датчики верхнего диапазона (0... 1700 кПа/4150 атм) давлений, предназначенные для жестких условий эксплуатации, выпускаемые в корпусе из нержавеющей стали или латуни.

По типу выходного сигнала датчики давления можно разделить на три большие группы:

•   базовые;
•   термокомпенсированные с заводской калибровкой смещения и диапазона;
•   термокомпенсированные с заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом [1].

Потенциальные области применения, в которых разработчик сталкивается с необходимостью измерения или контроля давлений нижнего диапазона — диализаторы, оборудование для химического или биологического анализа, системы очистки и распределения кислорода или азота, системы обогрева, вентиляции и кондиционирования (IIVAC), хранилища данных, контроль технологических процессов, насосы, промышленное оборудование, робототехника.

 
Часто нижний диапазон давлений делят на два поддиапазона: диапазон ультранизких давлений (от 2,5 до 40 мбар/ от 1" до 30"Н₂O) и диапазон низких давлений (от 60 до 10 бар/от 1 до 150 ф./кв.д.).

Датчики Honeywell для диапазона ультранизких давлений
Для данного диапазона одними из оптимальных решений являются датчики серий TruStability^® HSC и TruStability^® SSC, однако Honeywell предлагает целый спектр серий датчиков ультранизких давлений различной степени интеграции (таблица 1): от базовых до датчиков с нормализованным выходным сигналом [2, 3].

Таблица 1. Датчики Honeywell для диапазона ультранизких давлений для монтажа на плату

Датчики ультранизких давлений серий TruStability* HSC
Построены но проприетарной технологии Honeywell, обладают прекрасной стабильностью параметров, высокой точностью. Кроме обычной точности измерений (величины, которая указывается только для определенной температуры — в данном случае для 25'С) нормируется и такой важный показатель, как суммарная погрешность измерений (Total Error Band — ТЕВ). которая указывается для всего температурного диапазона (она различна для различных частей этого общего температурного диапазона) и включает в себя все эффекты, могущие повлиять на точность измерения (эффекты термического сдвига нуля, термического ухода шкалы и эффекта термического гистерезиса). Датчики серий HSC способны работать в широком диапазоне давлений, обеспечивают устойчивость к достаточно большим предельным давлениям, что в итоге дает возможность длительной работы под нагрузкой и высокую повторяемость результатов. Предназначены для измерения давления в некоррозионных, пеиопизировап-пых средах.

 
Серии IISC соответствуют первому уровню требований стандарта 1 PC/ JEDEC J-STD-020D.1 по устойчивости к воздействию влажности, нечувствительны к условиям монтажа на печатную   плату,   нечувствительны к вибрации.

 
В датчиках реализована встроенная схема обработки сигнала первичного сенсора (тензочувствительного моста), цифровой (I²С- или SPI-совместимый) или аналоговый выход. Также следует отметить малые размеры датчиков и малое энергопотребление. Типичное значение потребляемой мощности составляет менее 10 мВт, что позволяет применять датчики TruStability® IISC даже в приложениях с автономным питанием.

Уникальная технология Honeywell позволяет сочетать высокую чувствительность датчика с высокой устойчивостью к перегрузкам и длительной работе при повышенном давлении. Это, в свою очередь, позволяет снизить требования к защите датчика без потери чувствительности к малым изменениям давления. Высокая стабильность параметров сводит к минимуму необходимость калибровки системы и затраты на обслуживание при сохранении высокой производительности.

Гарантированная общая ошибка в пределах компенсированного температурного диапазона от 0 до 50°С исключает необходимость тестирования и индивидуальной калибровки каждого датчика, сокращая затраты на разработку и обслуживание системы. Высокая точность датчиков также позволяет упростить алгоритмы работы программного обеспечения для обработки сигнала датчика. Наличие встроенной схемы обработки сигнала позволяет отказаться от аналогичной схемы на плате, экономя площадь печатной платы, стоимость разработки и процесс производства.

Диапазон измеряемых давлении лежит в пределах от ±2,5 мбар до ±40 бар (от 1 до 30 дюймов водяного столба).

 
Разрушающее давление (по-другому называемое давлением разрыва) начинается от 415 дюймов водяного столба (1034 мбар), что позволяет датчикам данной серии выдерживать достаточно суровые внешние воздействия. При этом в диапазоне измеряемых давлений обеспечивается хорошая чувствительность даже к небольшим изменениям давления.

Предельное рабочее давление (называемое еще испытательным давлением) составляет 135 дюймов водяного столба (336 мбар), т.е. оно хотя и ниже разрушающего давления, но все же значительно выше диапазона измеряемых давлений, что обеспечивает уверенную работу датчика. Иными словами, можно не бояться, что небольшой скачок давления за пределы измеряемого диапазона вызовет выход датчика из строя. При давлении ниже испытательного, но выше диапазона измеряемых давлений у датчика еще не начинается необратимой деградации характеристик, но показывать правильный результат на выходе он уже не в состоянии (правильный результат выдается им только в измеряемом диапазоне давлений). Однако длительная работа датчика в таком режиме не допускается, т.к. это резко снижает его ресурс.

 
В серии представлены датчики в различном корпусном исполнении, отличающиеся способом монтажа на плату и типом порта подвода давления.

 
Целевые области применений включают в себя медицинское оборудование (небулайзеры, анестезионные установки, регуляторы давления), измерение давления в промышленных приложениях, детекторы загрязнений, индикаторы уровня загрязнения фильтров в системах кондиционирования и вентиляции.

Датчики улътрапизких давлений серий TruStability^® SSC
Сочетание примененных технологий позволяет датчикам данной серии сохранять чувствительность к перепадам давления при высоких критических и максимальных рабочих давлениях. TruStability^® SSC обладают высокой временной стабильностью параметров и повторяемостью результатов, что позволяет снижать затраты на обслуживание конечных систем.

Термокомпенсированный диапазон составляет от -20 до 85°С, а испытательное давление (336 мбар) и давление разрыва (1034 мбар), как и у датчиков HSC, лежат значительно выше диапазона измеряемых давлений. Компактные размеры и достаточно широкий выбор корпусных исполнений позволяют устанавливать датчики в наиболее удобных местах. Наличие цифрового интерфейса (I²C или SPI) (в цифровом варианте этой серии) упрощает взаимодействие управляющего контроллера с датчиками, доступен также и аналоговый выход. Потребляемая мощность не превышает 10 мВт. 

Серии CPCL
Датчики серий CPCL отличаются небольшими размерами, относительно низкой стоимостью, но при этом имеют схемы температурной компенсации, калиброванный выход (в переделах компенсированного температурного диапазона). Идеальны для приложений, требующих небольших габаритов, или для измерения абсолютного давления. В основном ориентированы на применение в медицинских приборах.

Ключевые возможности датчиков:
•  калиброванный выход;
•  температурная компенсация;
•  небольшие размеры;

•  высокий выходной импеданс;
•  малые токи потребления. 

Серии CPXL
Данные серии датчиков относятся к базовым и не обладают встроенными схемами температурной компенсации.

Основные свойства:
•   возбуждение постоянным напряжением;
•   высокий импеданс;
•   низкий рабочий ток;
•   небольшие размеры.

Предназначены   для   применения  в медицинской технике, а также для любых приложений в диапазоне низких давлений, оперирующих с неагрессивными, неионизированными средами.

Серии ASDX
Датчики серий ASDX являются калиброванными и компенсированными датчиками ультранизких давлений, имеют встроенную цифровую коррекцию смещения датчика, чувствительности, компенсации температуры и нелинейности.

 
ASDX имеют логометрический аналоговый выход с 12-битной точностью в пределах компенсированного диапазона напряжения питания.

 
12-битный цифровой I²С или SPI-совместимый протокол позволяет подключать датчики непосредственно к управляющему контроллеру без дополнительных внешних элементов. Выход в данном случае является числом в шестнадцатеричном формате, пропорциональном измеряемому давлению.

Серии ASDX ориентированы на измерение давления воздуха и сухих не агрессивных газов в таких приложениях, как регулирование воздушного потока, вентиляционное оборудование, медицинские терапевтические приборы.

 
Серии DCLX-DS
Ключевые характеристики датчиков серий DCLX-DS:
•   калиброванные;
•   температурная компенсация;
•   устойчивость к ударным нагрузкам;
•   высокая точность.

Данные датчики отличает калиброванное смещение и гарантированная ошибка на всем диапазоне измеряемых давлений, конструктивное исполнение с устойчивостью к стрессовым нагрузкам, нечувствительность к положению установки. Целевые области применения: медицинское оборудование, системы обогрева, вентиляции и кондиционирования, промышленные приложения.

 
Серии XCXL
Датчики XCXL выполнены в стандартизованном корпусе,  имеют калиброванный логометрический выход и схемы температурной компенсации. Корпусное исполнение делает датчики устойчивыми даже к вращательным нагрузкам, что снижает общую ошибку.

Серии XPCL
Рассчитаны на измерение давления неагрессивных неионизированных сред, в частности, на медицинские приложения, связанные с измерениями абсолютного или избыточного давления. Имеют калиброванный выход и температурную компенсацию.

 
Серии XPXL
Экономичные, компактные датчики, возбуждаемые постоянным напряжением, обладающие высоким импедансом и малыми рабочими токами. Доступны в нескольких вариантах исполнения с портом подключения среды в виде нейлоновой трубки.

 
Серии SCXL

Датчики серий SCXL имеют калиброванный выход, температурную компенсацию, низкий уровень выходных шумов, обладают высоким импедансом и малыми рабочими токами.

 
SDX005IND4, SXD010IND4
Серии SDX005IND4, SXD010IND4 являются эффективным решением для приложений, в которых необходима высокая производительность при малых размерах, например, при управлении пневматическим оборудованием. Термокомпенсация и калибровка датчиков обеспечивают стабильную работу в пределах рабочего температурного диапазона. Компактный DlP-корпус для монтажа на печатную плату позволяет экономить полезную площадь и размещать в пределах одной платы несколько датчиков.

Исполнение корпуса также предусматривает устойчивость к коррозии и механическим напряжениям.
Высокий импеданс предполагает малый рабочий ток датчиков, что позволяет использовать их в системах с автономным питанием.

 
Серии SXL
Датчики серий SXL ориентированы на измерение малых давлений в портативных устройствах или устройствах с автономным питанием. Данные изделия относятся к недорогим базовым датчикам и являются бюджетным решением для приложений, связанных с измерением давления сухих неагрессивных газовых сред.

 
Основные свойства:
•  высокая чувствительность в области низких давлений;
•  высокий импеданс;

• низкий уровень собственных шумов.

 
Серии DUXL
Датчики данной серии построены по проприетарной технологии Honeywell SURSENSE™, позволяющей снижать общие ошибки измерений. Структура датчика обеспечивает практически линейный выходной сигнал в зависимости от приложенного напряжения, существенно снижая ошибки, вызванные изменениями температуры, нагревом и длительной работой датчика.

 
При этом датчики следует отнести к базовым, так как они требуют индивидуальной калибровки для применения в измерительных системах и не обладают собственными схемами температурной компенсации. 

DUXL предназначены, прежде всего, для приложений, в которых доступна информация о внешней среде (в частности, о ее температуре). Низкий профиль датчиков делает их подходящими для встраиваемых приложений, в которых определяющую роль играет размер, например переносные датчики давления, портативные медицинские приборы (бытовые медприборы), индикаторы уровня давления.
Ключевые характеристики датчиков:
•  низкий профиль;
•  малые размеры;
•  логометрический выход.

 
Датчики Honeywell для диапазона низких давлений

 Данный поддиапазон отличается несколько более высоким уровнем максимального рабочего давления и чуть большим нижним пределом чувствительности датчиков. В диапазоне низких давлений (таблица 2) также встречаем датчики серий TruStability^® HSC и SSC, ASDX а также ряд других серий [2, 3].

Серии TruStability^® SSC
Датчики нижнего диапазона данных серий отличает высокая временная стабильность, высокая   точность измерений, малая ошибка измерений в пределах рабочего диапазона давлений (не более 2%). Встроенная схема обработки сигнала обеспечивает компенсацию нелинейности зависимости от температуры и приложенного давления в пределах диапазона температур от -20 до 85*С. В дополнение к этому встроенная функция самодиагностики позволяет существенно увеличить надежность системы в целом.

Исполненные в миниатюрных корпусах размером всего 1x1 см датчики нечувствительны к условиям монтажа на печатную плату. В серии доступны корпуса поверхностного монтажа, а также одно- и двухрядные корпуса (SIP. DIP).

Диапазон измеряемых давлений от 60 мбар до 10 бар (от 1 до 150 ф.кв.д.), кроме измерения давления сухих газов возможно измерение давления жидких неагрессивных сред.

 Серии TruStability^® NSC
Серии TruStability^® NSC отличают компактные размеры (1x1 см), высокая повторяемость характеристик датчиков от партии к партии, низкое рабочее напряжение и малые токи потребления, логометрический выход. Датчики обладают высокой чувствительностью и малым временем реакции на изменение давления при низком уровне собственных шумов.

 
Датчики допускают работу с влажными газами или с неагрессивными жидкими средами.
Датчики серии TruStability® NSC способны работать с низкими напряжениями питания (1.8 В) при малом потреблении тока. Это позволяет использовать данные серии в устройствах с автономным питанием.

Серии базовых датчиков NBP
Данные серии включают в себя простые и экономичные, но надежные датчики давления с длительным сроком службы. Предназначены в основном для применения в качестве первичных датчиков в составе более сложных систем для задач со специфическими требованиями к параметрам датчиков давления.

NBP с размерами 7x7 мм являются одними из самых миниатюрных датчиков, монтируемых на печатные платы, способны работать в диапазоне температур от -40 до 125°С, что перекрывает требования многих промышленных и автомобильных применений. Доступен широкий выбор датчиков серий NBP в зависимости от требуемого диапазона давлений, способов монтажа и подвода среды.

Датчики серий 24РС
Пьезорезистивный чувствительный элемент обеспечивает стабильный выходной сигнал во всем диапазоне измеряемых давлений. Датчики серий 24РС предназначены для измерения абсолютного или избыточного давлений, доступны в нескольких конструктивных исполнениях.
Основные возможности датчиков:
• малые размеры;

•   DIP-, SIP- или SMT-корпуса;
•   допускают измерение давления влажных газов (в том числе дифференциального давления в случае, если с обеих сторон мембраны — влажная среда);
•   сохраняют полную работоспособность после замерзания и последующей разморозки.

Серии 26РС
Являются развитием датчиков предыдущих серий, имеют заводскую калибровку и схемы температурной компенсации.
Основные возможности:
•   малые размеры;
•   SIP-, DIP- или SMT-корпуса;
•   допускают измерение давления влажных газов (в том числе дифференциального давления в случае, если с обеих сторон мембраны — влажная среда);

•   сохраняют полную работоспособность после замерзания и последующей разморозки;
•   калибровка;
•   тсрмокомпенсированные.

ASDX серый
Серии ASDX — датчики низких давлений, имеют встроенную цифровую коррекцию смещения датчика, чувствительности, нелинейности, компенсацию изменений температуры.

 
ASDX имеют аналоговый выход с 12-битным разрешением в пределах компенсированного диапазона напряжения питания.

 
12-битный цифровой I²С- или SPI-совместимый протокол позволяет подключать датчики непосредственно к управляющему контроллеру без дополнительных внешних элементов. Выход в данном случае является числом в шест-надцатеричном формате, пропорциональном измеряемому давлению, и не зависит от напряжения питания (в пределах допустимых значений питающего напряжения).

Серии СРС
СPC — компактные недорогие датчики давления с заводской калибровкой и компенсированным температурным диапазоном. Запитываются постоянным напряжением, обладают достаточно высоким импедансом и низким током потребления.

 
Отличаются малыми размерами, в том числе низким профилем, что позволяет применять их в приложениях, где размер является одним из критических факторов.

Серии SCC, SX
Данные серии выпускаются в корпусах для поверхностного монтажа. Серии SCC отличает наличие температурной компенсации, серии SX — более низкое энергопотребление и низкий уровень собственных шумов.

 
Серии SCX
Среди основных свойств серий SCX:
•   низкая стоимость;
•   калибровка и наличие температурной компенсации;
•   высокая точность;
•   низкий уровень шумов;
•   устойчивость к коррозии.

SCX являются прекрасным выбором для приложений, в которых требуется широкий диапазон рабочих температур и малое время реакции. Дополнительно на двух выводах датчика формируется напряжение, пропорциональное его температуре, которое может быть использовано внешними схемами либо как самостоятельное значение, либо для дальнейшей обработки сигнала.

 
Серии SDX, ХСР
SDX ориентированы на приложения, в которых требуется сочетание высокой производительности и компактных размеров. Обладают повышенной точностью и стабильностью в пределах рабочего температурного диапазона. Имеют встроенную схему температурной компенсации. Чувствительный элемент изготовлен с применением лазерной подгонки.

Основные возможности:
•   низкий уровень шумов;
•   низкая стоимость;
•   калибровка;
•   температурная компенсация;
•   устойчивость к коррозии;
•   малое энергопотребление.

 
Датчики серии 24РС
Одними из самых популярных серий датчиков у российских разработчиков является датчики серии 24PC. в частности, 24PC15SMT. Остановимся на них более подробно.

Датчик монтируется непосредственно на плату методом поверхностного монтажа, имеет небольшие размеры: корпус всего 7,11x6,10x7,87 мм, не включая порты подвода давления (размер порта давления добавляет к длине датчика еще 3,81 мм) — см. рисунок 1. Для надежной фиксации на плату на корпусе датчика предусмотрены выступающие фиксаторы. Несмотря на пластиковое исполнение (эластомер), датчик выдерживает температуру монтажа до 260°С.

 
Несмотря на отсутствие калибровки и компенсации, причины популярности датчиков данной серии кроются в широком рабочем температурном диапазоне от -40 до 85СС, что перекрывает требования многих типов приложений, включая промышленные. В дополнение к этому, датчики способны работать с влажными газами при измерении абсолютного,  дифференциального или избыточного давлений, сохраняя работоспособность даже в случае замерзания конденсата.

 
Электрическая схема датчика достаточно проста: мостовая схема с парой дополнительных резисторов — рисунок 2. При увеличении давления напряжение на выходе А растет, на выходе В — падает.
Входное и выходное сопротивления датчика 5 кОм ±0,5 кОм, размах шкалы выходного сигнала при напряжении питания 10 В составляет 225 мВ. Датчик выдерживает ударные и вибрационные нагрузки до 150g. Вес датчика составляет всего 0,5 грамма.

Потенциальные области применения включают в себя:
•   медицинское оборудование;
•   маломощные насосы;
•   вентиляционное оборудование;
•   топливные ячейки;
•   оборудование, работающее с постоянным повышенным давлением.

Заключение
Датчики давления Honeywell для монтажа на печатную плату способны обеспечить решение многих прикладных задач измерения давления в различных областях применения. Вес представленные серии датчиков отличает высокая стабильность параметров, высокая точность и повторяемость результатов измерений.

 
Примерное соответствие параметров датчиков давления наиболее характерных серий требованиям различных приложений представлено в таблицах 3 и 4.

 
Для коммерческих приложений датчики таких серий, как TruStability® 11SC, TruStability* SSC, ASDX, могут предоставить законченное решение с минимальными затратами на обработку сигнала и подключение датчика к системе.

Серии CPXL, XPXL, TruStability* NSC, NBP, 24PC способны обеспечить широкий температурный диапазон измерений при незначительных затратах. Также данные серии могут служить основой для построения систем измерения давления со специфическими требованиями к датчику по точности, стабильности, типу выходного сигнала и конструктивному исполнению, которым возможно не может удовлетворить полностью законченный интегрированный прибор.

Литература
1. А. Маргелов. Датчики давления компании HONEYWELL.//Chip News. 2005. №7. с. 46 - 50.
2.  НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2012