1. WSTĘP

s. 5

1.1. Wprowadzenie

Podstawowym zastosowaniem przetworników pomiarowych wielkości nieelektrycznych są układy automatycznej regulacji procesów technologicznych w zakładach przemysłowych. Duże obiekty mogą być wyposażone w kilka tysięcy przetworników. Ponieważ zmiana temperatury otoczenia i medium pomiarowego jest źródłem powstawania najistotniejszego błędu pomiaru, każdy z przetworników ma wbudowany układ kompensujący ten błąd. Układ kompensacyjny jest tym trudniejszy do realizacji, im szerszy jesz zakres temperatur i większa dokładność przetwarzania.

Zagadnienia kompensacji błędów temperaturowych są przedmiotem bogatej literatury patentowej. Natomiast w literaturze naukowo - technicznej są one prezentowane skromnie i często jako zagadnienia drugoplanowe. Sytuacja taka wynika z następujących powodów:

• układy kompensacyjne są stosowane w zasadzie wyłącznie w przetwornikach produkowanych seryjnie, w związku z czym rzadko opracowywane przez jednostki oderwane od zakładu produkcyjnego, a więc przez uczelnie i instytuty,
• koszt realizacji kompensacji temperaturowej może stanowić nawet 50% kosztów wytwarzania przetwornika w zależności od wyboru metody kompensacji i zastosowanej technologii [1],
• wypadkowe błędy temperaturowe przetwornika /jako integralna część klasy dokładności przetwarzania/ są czynnikiem wpływającym w istotny sposób na jego cenę sprzedażną,
• wybór metody kompensacji jest również czynnikiem wpływającym na dopuszczalny zakres temperatur pracy, a więc zakres stosowania przetwornika.

Tak więc wybór metody kompensacji temperaturowej wpływa w znacznym stopniu na efekty ekonomiczne producenta, w związku z czym jest utrzymywany przez niego w możliwie najgłębszej tajem-

s. 6

nicy. Zgłoszenia patentowe są dokonywane jako zło konieczne ze względu na konieczność ochrony własnych praw autorskich na rynku, przy czym często w zgłoszeniach takich celowo wprowadza się błędy utrudniające rozszyfrowanie metody.

Miarą wpływu zmian temperatury otoczenia na dokładność pomiaru jest błąd temperaturowy względny lub bezwzględny. Błąd temperaturowy względny wyraża się najczęściej w procentach szerokości zakresu pomiarowego, równych zmianie rozpatrywanego parametru /np. wartości początkowej zakresu/ odniesionej do szerokości zakresu pomiarowego i określonej zmiany temperatury /np. 10 K/. Błąd temperaturowy bezwzględny jest najczęściej określany jako różnica wartości rozpatrywanego parametru w rozważanej temperaturze i temperaturze odniesienia.

1.2. Cel i teza pracy

Celem pracy jest opracowanie nowej skutecznej metody kompensacji wpływu temperatury na dokładność przetwarzania półprzewodnikowych przetworników ciśnienia oraz praktyczne sprawdzenie jej stosowalności.

Pod nazwą "metoda kompensacji" rozumiana jest w pracy metoda polegająca na zastosowaniu specjalnego układu elektronicznego współpracującego z półprzewodnikowym czujnikiem ciśnienia, którego sygnał wyjściowy uzależniony jest od temperatury tak, że zmniejsza wpływ zmian temperatury na charakterystykę przetwarzania przetwornika pomiarowego zawierającego ten układ i czujnik.

Określenie "temperatura" oznacza temperaturę w jakiej znajduje się czujnik pomiarowy. W zależności od rozwiązania może to być temperatura medium mierzonego, temperatura otoczenia lub temperatura wynikająca z superpozycji obu tych temperatur.

"Półprzewodnikowy przetwornik ciśnienia" oznacza przetwornik zawierający czujnik zbudowany z elementów półprzewodnikowych, służący do przetworzenia wartości mierzonego nadciśnienia /różnicy

s. 7

pomiędzy mierzonym ciśnieniem i ciśnieniem atmosferycznym/ na znormalizowany sygnał elektroniczny.

Jak będzie wykazane w punkcie 4, dla skompensowania wpływu temperatury na liniową charakterystykę przetwarzania czujnika wystarcza uniezależnienie od temperatury wartości początkowej i końcowej zakresu pomiarowego. W związku z tym, możemy podzielić przetworniki na klasy w zależności od stopnia wielomianu opisującego błąd temperaturowy wartości początkowej i końcowej nieskompensowanego przetwornika:

• liniowa, w której błąd jest liniową funkcją temperatury
• kwadratowa, w której błąd jest kwadratową funkcją temperatury
• sześcienna, itd.

Nowa metoda będąca celem pracy powinna umożliwić kompensację błędów temperaturowych danej klasy przetworników poprzez wykony wanie procedury kompensacji w pewnej ilości temperatur dyskretnych. Ilość tych temperatur uzależniona powinna być od stopnia wielomianu opisującego błąd temperaturowy. Natomiast wartości współczynników wielomianu powinny być ustalone w trakcie kompensacji tak, aby zapewnić wyzerowanie błędu konkretnego czujnika.

Nowa metoda charakteryzować się powinna łatwością wdrożenia do produkcji seryjnej, a więc tanim oprzyrządowaniem technologicznym i stosowaniem elementów produkowanych seryjnie. Liczba wykonań elementów służących do realizacji warunków kompensacji powinna zostać zminimalizowana.

Tezę pracy formułuje się następująco: Możliwe jest opracowanie metody kompensacji pełnej błędów temperaturowych w półprzewodnikowych przetwornikach ciśnienia przy zastosowaniu jednego elementu ustalającego warunki kompensacji na każdą wybraną temperaturę kompensacji oraz dla każdego kompensowanego parametru charakterystyki przetwarzania przetwornika przy czym, nastawy tych elementów charakteryzują się jednokierunkową niezależnością. Liczbę temperatur kompensacji określa stopień wielomianu opisujący błąd temperaturowy danego parametru.

s. 8

Kompensacja zrealizowana tą metodą może być niepełna w przypadku, gdy liczba temperatur kompensacji jest mniejsza od stopnia wielomianu opisującego charakterystykę błędu temperaturowego czujnika.

Możliwa jest przy tym procedura kompensacji błędów temperaturowych przy użyciu tej metody taka, że skompensowanie błędu w jednej temperaturze nie ma wpływu na kompensację w poprzednich temperaturach kompensacji.

Możliwe jest także uniezależnienie od siebie warunków kompensacji wartości początkowej oraz czułości czujnika.