Titan: автомобильное ноу-хау для промышленных датчиков

Этот «кулинарный рецепт» представляет собой сжатое и упрощенное описание в нескольких строках процесса EBV Elektronik, используемого при определении и разработке нового продукта Titan в рамках программы EBVchips.

Поскольку разработчики промышленных устройств не раз спрашивали наших инженеров, количество которых свыше 120, об экономичном, но в то же время очень точном и качественном датчике давления, начался внутренний поиск соответствующего решения.

Наконец в лице голландско-американской Sensata Technologies компания EBV Elektronik нашла подходящего партнера для выполнения проекта Titan. По емкостной технологии компания Sensata Technologies производит из керамики 75 млн датчиков давления в год для автомобильной промышленности. Хотя эти датчики соответствуют строгим критериям качества в автомобильной отрасли, все они оснащены потенциометрическим выходом 0/5 В. Однако, поскольку промышленным стандартом является выход 4/20 мА, датчики без токового интерфейса подходили только для специального промышленного применения.

Керамика как основа

С 1985 года компания Sensata производит датчики давления на основе керамической емкостной технологии. В автомобильной отрасли эти датчики используются в разных областях: первым применением было измерение давления в контуре компрессора кондиционирования воздуха в автомобиле. Сейчас доля компании Sensata на рынке в этой области составляет более 80%. Модифицированные версии датчика давления на керамической основе (рис. 1) в настоящее время используются в автоматических коробках передач, топливных системах низкого давления (дизель) или для измерения давления масла. На основе этой технологии Sensata выпускает датчики давления, которые работают в диапазоне от разряжения до давления 80 бар.

Рис. 1. Гибкий датчик для кондиционера

Базовый элемент датчика состоит из керамической подложки (рис. 2) толщиной около 3 мм и тонкой, гибкой керамической мембраны толщиной от 0,6 до 1,2 мм. Керамическая мембрана закрепляется на керамической подложке с большой точностью на определенном расстоянии с помощью метода склейки стеклом. Что касается монтажа, датчики с разными диапазонами давления отличаются между собой только толщиной мембраны, а также электронной калибровкой. На обе керамические части наносится тонкий слой золота, который подключается к электронике посредством контактных выводов. Оба слоя золотого покрытия образуют конденсатор, емкость которого меняется в зависимости от давления, оказываемого на мембрану. Емкость конденсатора составляет порядка 15 пФ.

Рис. 2. Керамическая подложка датчика

С помощью запатентованного метода зарядки/разрядки Sensata можно оценить изменение емкости относительно эталонного конденсатора, с тем чтобы сформировать выходное напряжение в диапазоне от 0 до 5 В. В течение последних десятилетий этот процесс прошел проверку уже на многих поколениях изделий Sensata, однако, несмотря на систематические улучшения в области электроники, калибровки и температурной стабильности, основа процесса оставалась низменной. Каждый датчик в отдельности калибруется при комнатной температуре. В рамках производственного процесса датчики проверяются при 23 и 135 °C. Кроме того, проводится калибровка на верхней и нижней границах диапазона давлений. Причем калибровка имеет чисто аналоговый характер, при этом цифровая электроника не используется. Метод, который применяет Sensata, оказался весьма стабильным как в условиях производства, так и условиях эксплуатации. В основном диапазоне сенсорные элементы имеют достаточно хорошие линейные характеристики. Лишь в нижней и верхней областях шкалы появляются заметные нелинейности.

EBVchip Titan обеспечивает выход 4/20 мА

Для того чтобы датчики можно было использовать в промышленных условиях, им необходим стандартный выход 4/20 мА. По инициативе EBV Elektronik были разработаны датчики давления Titan, оснащенные выходным промышленным интерфейсом. EBV Elektronik вместе с компанией Sensata определили оконечную электронную схему для преобразования сигнала 0/5 В в выходной ток 4/20 мА. Причем за полное определение промышленного интерфейса отвечала компания EBV.

Таким образом, EBV делает доступной для индустриальных потребителей технологию датчиков давления компании Sensata, первоначально разработанную для автомобильного применения. В результате датчики можно также использовать для систем автоматизации технологических процессов в других областях. В этом случае техническое решение комплексного датчика 4/20 мA под обозначением Titan предлагается компанией EBV в рамках бизнес-проекта EBVchips. Компания EBV намеренно не ограничивала рамки для EBVchips только полупроводниками: в рамках этой программы разрабатываются также гибридные схемы, модули или, как в данном случае, промышленные датчики в корпусе с резьбой.

Большое количество опций

Сейчас датчики давления EBVchips доступны в латунном корпусе (рис. 3) в исполнении для трех диапазонов давления: 0–10, 0–20 и 0–35 бар. Также имеется вариант датчиков из нержавеющей стали для диапазона 0–45 бар. Если требуется, EBV Elektronik и Sensata способны также выпускать другие варианты с различными разъемами, механическими присоединениями или видами корпуса. В настоящее время датчики давления классифицируются согласно требованиям IP65, IP67 и IP6K9 (все с кабелями).

Рис. 3. Датчик давления Titan

Так как датчик получает питание через сигнальную линию, в датчиках Titan, в соответствии со спецификациями SAE, используются только два соединительных провода, имеющих соответствующую длину для применения в сложных промышленных условиях, где критическим фактором является электромагнитная совместимость. Промышленные датчики давления нечувствительны к электрическим помехам до 30 В/м.

Погрешность измерения во всем диапазоне температур от –20 до +100 °C — менее 2%. При температуре 25 °C погрешность измерения во всем диапазоне давлений составляет всего лишь 0,75% — это относится к более чем 10 млн специфицированных циклов измерения давления. Таким образом, эти датчики — одни из наиболее точных на рынке. Рабочее напряжение (с защитой от неправильной полярности включения) может составлять от 6 до 30 В DC. В то же время датчики без повреждений выдерживают напряжение до 39 В DC.

Вибрационные нагрузки до 10g с частотой 25–2000 Гц не причиняют датчикам давления никакого вреда. Они также выдерживают удары до 100g с различных направлений с частотой 6 Гц (полусинусные). Во всех случаях датчики, сертифицированные по UL и RoHS (соответствующим стандартам СЕ), дают надежный результат измерения с быстродействием <10 мс — через недорогой, оснащенный защитой IP6K9 выходной разъем, специфицированный в соответствии с Delphi-Packard. В качестве герметика для внутреннего уплотнительного кольца Sensata использует неопрен, гидратированную нитрильную резину (HNBR) и фторсиликон. Давление разрыва соответствует пятикратному давлению измерения.

Благодаря шестигранному винтовому зажиму (штырьковый 1/8″, гнездовой 1/4″) датчики давления не только хорошо подходят для автоматизации промышленных процессов, но и встраиваются в такие изделия, как насосы и компрессоры, а также системы HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) плюс холодильники и морозильники. В автоматизации технологических процессов, например, существуют важные применения в области гидравлических систем, пневматики, лифтов, перекачки жидкостей и газов. Одни из наиболее важных применений насосов и компрессоров — промышленные системы очистки, мойки (автомобильные), очистители высокого давления (на водной основе), водяные и вспомогательные насосы, а также пневматические системы. Системы HVAC используются не только для промышленных технологий замораживания, но и в системах автоматизации зданий, тепловых насосах и в холодильниках и морозильниках, находящих применение в пищевой промышленности и розничной торговле.

Взаимовыгодная ситуация

«Через разветвленную сеть EBV Elektronik мы получаем доступ к совершенно новой группе потребителей в области промышленной электроники, — поясняет инженер Роджер Аппело, менеджер по развитию в Европе бизнеса датчиков от Sensata. — С другой стороны, компания EBV Elektronik должна получить доступ к высококачественной и полностью отработанной технологии датчиков, которая имеет огромный потенциал. С нашей точки зрения, это абсолютно взаимовыгодная ситуация. При серийном производстве соответствующих автомобильных датчиков несколько миллионов в год компания EBV может предлагать датчики давления по очень привлекательной цене». Такие EBVchips были разработаны частично в Голландии и частично в США. Изготовление комплектных датчиков, включая керамику, будет осуществляться в Мексике, где компания Sensata производит также свои автомобильные датчики.

От автомобилей — к потребителям и промышленности

С конца 2011 года все новые автомобили, продаваемые в странах — членах ЕС, должны быть оборудованы ESP — системой стабилизации автомобиля. Центральными элементами каждой ESP являются два датчика — угловой скорости и ускорения. Первые системы ESP поставлялись на рынок уже с середины 1990-х годов, но только в секторе дорогих автомобилей. Причина в том, что тогда изготовление датчиков было сложным и дорогим процессом. Вскоре после легендарного «лосиного теста» 1997 года системы ESP неожиданно стали доступны для автомобилей компактного класса. Коммерческий успех ESP начался одновременно с использованием высококачественных и относительно дешевых в производстве кремниевых датчиков угловой скорости и ускорения. Сегодня недорогие датчики угловой скорости и ускорения (на основе микромеханотроники) можно встретить практически в каждом новом смартфоне и в большинстве игровых консолей, так как цены на используемые в них типы датчиков резко упали из-за массового производства датчиков для автомобилей. В то же время с этими коммерческими датчиками не было никаких существенных проблем в отношении качества, поскольку поставщики автомобильных комплектующих поддерживают высокое качество производства.

Подобным же образом поступила компания EBV: она взяла автомобильный датчик давления как часть проекта EBVchips, адаптировав его к промышленным требованиям и оснастив подходящим интерфейсом 4/20 мА. Поскольку эти датчики уже на протяжении многих лет находят массовое применение в транспортных средствах, поставщики датчиков давления держат их качество под контролем. Промышленные потребители имеют основания быть довольными существенным (выраженным двузначным числом) снижением цены, что обусловлено крупносерийным производством.