CAPACITANCE PRESSURE SENSORS FOR SECURITY, MONITORING AND FORECASTING SYSTEMS

Зинкин С.В.

Кандидат технических наук,

Пензенский государственный университет в г. Пензе

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОХРАННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Аннотация

Приведены сравнения принципов преобразования для измерения различных физических величин, которые в силу технологических и технических факторов обеспечивают наилучшее соотношение между чувствительностью к измеряемой величине и устойчивостью к влияющим факторам. Аргументировано, что для емкостных датчиков физических величин свойственны непременно высокая термоустойчивость, неизменность метрологических характеристик во времени, отсутствие шумов и самонагрева. Емкостные датчики рациональных конструкций исключительно просты.

Ключевые слова: емкостной датчик давления, охранная система, мониторинг, прогнозирование, универсальность.

Zinkin S.V.

PhD in Engineering,

Penza State University in Penza

CAPACITANCE PRESSURE SENSORS FOR SECURITY, MONITORING AND FORECASTING SYSTEMS

Abstract

The comparison of the conversion principles for measuring of various physical quantities is carried out, which, due to technological and technical factors, provides the best correlation between sensitivity to measured value and resistance to influential factors. It is proved that certainly high thermal stability, stationarity of metrological characteristics, the absence of noise and self-heating are typical for capacitive sensors of physical quantities. Capacitive sensors for rational constructions are exceptionally simple.

Keywords: capacitance pressure sensor, security system, monitoring, forecasting, universality.

Для осуществления антитеррористической и правоохранительной деятельности на промышленных предприятиях, режимных объектах применяются локальные и комплексные системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций, ликвидации последствий экологических и техногенных катастроф, использующие различные датчики [1, С. 9], [2, C. 18].

Качество работ систем измерений, контроля, управления различного назначения в значительной степени определяется уровнем точностных и эксплуатационных характеристик первичных преобразователей (датчиков) [3, С. 23].

В настоящее время для измерения различных физических величин возможно использование самых разнообразных (около 400) физических явлений и соответствующих им принципов преобразования.

Большие сложности практической реализации датчиков на многих принципах связаны с их чувствительностью не только к измеряемой величине, но и к параметрам окружающей среды, не подлежащим измерению с их помощью. По этой причине в настоящее время наиболее широко используется только 15-30 принципов преобразования, которые в силу технологических и технических факторов обеспечивают наилучшее соотношение между чувствительностью к измеряемой величине и устойчивостью к влияющим факторам [10, С. 111, 121, 134].

При этом наибольшему числу предъявляемых практикой требований отвечают датчики емкостного принципа действия (см. табл.1, 2).

Таблица 1 – Универсальность принципов преобразования

Примечания: «+» используется, «++» использование предпочтительное, «–» использование нецелесообразное [10, С. 121, 134, 145, 155].

 

Для емкостных датчиков физических величин свойственны непременно высокая термоустойчивость, неизменность метрологических характеристик во времени, отсутствие шумов и самонагрева. Емкостные датчики рациональных конструкций исключительно просты.

Емкостные датчики могут использоваться для преобразования статико-динамического давлений жидких и газообразных средств в системах измерений, контроля и управления различного назначения, в том числе и специальной технике.

Тонкопленочные дифференциальные емкостные датчики актуальны и позволяют решить проблемы измерения давления в широком диапазоне внешних воздействующих факторов при испытаниях изделий специального назначения нового поколения, работающих на криогенных и агрессивных средах.

Поставленные требования предписывают определенные лимитирования на конструкцию, параметры и методы расчета датчика.

Условия работоспособности датчика при влиянии вибраций обуславливает конструирование датчика с высокой собственной частотой, лежащей за пределами частотного диапазона вибраций, а также меры, обеспечивающие механическую прочность и неизменность показаний датчика. Это относится и к линейным перегрузкам.

 

Таблица 2 – Основные направления создания датчиковой аппаратуры

Применение перспективных методов преобразований физических величин	Применение специальных конструкций и материалов	Использовании высокоэффективных измерительных цепей (ИЦ)
Емкостные мембранные	Кремний, керамика, прецизионные сплавы	Автокомпенсационные ИЦ, автоматические мостовые ИЦ с экстремальным или фазочувствительным детектором, алгоритмические
Тензорезистивные	Прецизионные сплавы	Мостовые неуравновешиваемые ИЦ (в том числе с выходом по постоянному току с коррекцией температурной погрешности), алгоритмические ИЦ (микропроцессорные преобразователи)
Пьезорезистивные	Кремний, КНС, карбид кремния	Неуравновешиваемые ИЦ (в том числе с автоматической  коррекцией температуры), алгоритмические ИЦ (микропроцессорные преобразователи)
Волоконно-оптические	Оптические волокна, оптическое стекло, элинварные сплавы, керамика	Мостовые уравновешиваемые и неуравновешиваемые ИЦ, генераторные ИЦ
Индуктивные	Прецизионные сплавы	Индуктивно-трансформаторные ИЦ
Пьезорезонансные	Кварц, керамика	Генераторные ИЦ

 

Работа под влиянием высокой влажности, агрессивных газов или жидкостей предопределяет конструкцию датчика с герметичным коррозиестойким корпусом, подбор соответствующих материалов и покрытий.

При влиянии на датчик температур, изменяющихся в широком диапазоне (-196…+250 0С), возникает трансформация геометрических размеров и упругих свойств механических элементов. В итоге варьируется чувствительность датчика к измеряемой величине, образуется погрешность преобразования. Исключение влияние температуры на преобразование осуществляется повышением чувствительности к измеряемой величине и снижением чувствительности к дестабилизирующему моменту, каким является температура, использованием дифференциальных преобразователей, или введением в измерительную цепь дополнительных термокомпенсирующих элементов. В емкостных датчиках для уменьшения влияния температуры на преобразование исключается из тракта преобразования влияние температуры на начальный выходной сигнал и на чувствительность датчика [4, С. 189], [5, С. 129].

Очень существенным требованием является требование работоспособности датчика при термоударе. Работоспособность предопределяет выбор методов и средств уменьшения влияния на показания датчика быстроизменяющейся температуры, измеряемой и окружающей среды. По среднетехническим требованиям основная погрешность датчика не превышает 0,1 %. Она зависит от спектра факторов, которые действуют на физические свойства и параметры отдельных ячеек цепи преобразования измеряемой величины [6, С. 201], [7, С. 311].

Эффективным мерами уменьшения дополнительных погрешностей являются: использование дифференциальных преобразователей, лимитирование рабочего диапазона, нахождение соответствующего материала упругого элемента, конструкции чувствительного элемента, технологии их изготовления.

Частотный диапазон преобразования 0..200 Гц характерен для большинства емкостных датчиков давления.

Напряжение питания 27 В, постоянного тока, и выходной сигнал 0…6 В датчика – стандартные. Выходной сигнал датчика используется для дальнейшей обработки в автоматизированных системах управления.

Масса датчика, определяемая, предъявляемым к диапазону измерений, условиям работы и стандартными посадочными размерами, минимальна [8, С. 78], [9, С. 15].

Таким образом, емкостные датчики давления, благодаря их простой конструкции, могут применяться в различных областях производства и деятельности человека:

- управление технологическим процессом (регулировка натяжения конвейера и т.п.);

- система регулировки в разных промышленных производствах (подсчет произведенного товара, контроль наполнения упаковки и т.д.);

- периметровые охранные системы.

Список литературы / References

1. ГОСТ Р 53704-2009. Системы безопасности комплексные и интегрированные. Общие технические требования
2. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. Общие требования
3. РД 78.36.003-2002. Инженерно-техническая укрепленность. Технические средства охраны. Требования и нормы проектирования по защите объектов от преступных посягательств
4. Фрайден. Дж. Современные датчики. Справочник. Перевод с английского Ю.А. Заболотной под редакцией Е.Л. Свинцова. – М.: Техносфера, 2005. – 588 с.
5. Афонский А.А.Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике / Афонский А.А., Дьяконов В.П. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 688 с.
6. Синилов В.Г. Системы охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации: учебник для нач. проф. образования / В.Г.Синилов / 6-е издание. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 512 с.
7. Барсуков В.С. Современные технологии безопасности / Барсуков В.С., Водолазкий В.В. – М.: Нолидж, 2000. – 495 с.
8. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения / Учебник для ВУЗов / – М.: Телеком, 2004. – 367 с.
9. Назаров В.И., Рыженко В.И. Охранные и пожарные системы сигнализации. – М.: Оникс, 2007. – 33 с.
10. Мартяшин А.И. Преобразователи электрических параметров для системы контроля и измерения / Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. – М.: Энергия, 1976. – 391 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. GOST R 53704-2009. Sistemy bezopasnosti kompleksnye i integrirovannye. Obshie tehnicheskie trebovaniya [Integrated and integrated security systems. General technical requirements]. [in Russian]
2. GOST R 53778-2010. Zdaniya i sooruzeniya. Pravila obsledovaniya i monitoringa tehnicheskogo sostoyaniya. Obshie trebovaniya [Buildings and structures. Rules of inspection and monitoring of technical condition. General requirements]. [in Russian]
3. RD 78.36.003-2002. Inzenerno-tehnicheskaya ukreplennost. Tehnicheskie sredstva ohrany. Trebovaniya i normy proektirovaniya po zashite obektov ot prestupnyh posyagatelstv [Engineering and technical strengthening. Technical means of protection. Requirements and design standards for the protection of objects from criminal attacks]. [in Russian]
4. Fraden J. Sovremennye datchiki. Spravoshnik. [Modern sensors. Handbook]. Perevod s angliskogo U.A. Zabolotnoi pog redakciei E.L. Svincova [Translation from English U.A. Zabolotnaya under the editorship E.L. Svincova]. – М.: Tehnosfera, 2005. – 588 p. [in Russian]
5. Afonskii А.А. Elektronnye izmereniya v nanotehnologiyah i mikroelektronike [Electronic measurement in nanotechnology and microelectronics] / Afonskii А.А., Dyakonov V.P. – М.: DMK Press, 2011. – 688 p. [in Russian]
6. Sinilov V.G. Sistemy ohrannoi, pozarnoi i ohranno-pozarnoi signalizacii: uchebnik dlya nachalnogo professionalnogo obrazovaniya [Security systems, fire and burglar and fire alarm: textbook for primary vocational education] / Sinilov V.G. / 6-е izdanie [6th edition]. – М.: Izdatelskii centr «Akademiya», 2011. – 512 p. [in Russian]
7. Barsukov V.S. Современные технологии безопасности [Modern security technologies] / Barsukov V.S., Vodolazkii V.V. – М.: Nolidz, 2000. – 495 p. [in Russian]
8. Magauenov R.G. Sistemy ohrannoi signalizacii: osnovy teorii i principy postroeniya [Security alarm system: fundamentals of theory and principles of construction] / Uchebnik dlya VUZov [Textbook for high schools]. – М.: Telekom, 2004. – 367 p. [in Russian]
9. Nazarov V.I., Ryzenko V.I. Ohrannye i pozarnye sistemy signalizacii [Security and fire alarm systems]. – М.: Oniks, 2007. – 33 p. [in Russian]
10. Martyashin A.I. Preobrazovateli elektricheskih parametrov dlya sistemy kontrolya i izmerenya [Converters of electric parameters for monitoring and measurement] / Martyashin A.I., Shahov E.K., Shlyandin V.M. – М.: Energiya, 1976. – 391 p. [in Russian]