11_14.pdf

Klub Konstruktorów

Klub Konstruktorów to inicjaty−

wa przeznaczona dla bardziej za−

awansowanych Czytelników, mają−

cych pewne doświadczenie w kon−

struowaniu i wykonywaniu urzą−

dzeń elektronicznych.

Formuła Klubu jest następująca:

po zaprezentowaniu danego ele−

mentu na łamach EdW, do końca

miesiąca czekamy na listy, w któ−

rych przedstawicie propozycje, jak

chcielibyście wykorzystać dany

podzespół. Osoba lub osoby, które

nadeślą najbardziej przekonujące

listy, otrzymają dany element bez−

płatnie (i bez żadnych zobowiązań

względem redakcji). Nie stawiamy

szczegółowych wymagań − Twoim

zadaniem, Czytelniku, jest przeko−

nać nas, że dany element należy

udostępnić do eksperymentów

właśnie Tobie! List powinien za−

wierać schemat ideowy propono−

wanego rozwiązania układowego,

planowany sposób praktycznego

zastosowania, ale można też napi−

sać coś o sobie i swoich dotych−

czasowych osiągnięciach. W prze−

ciwieństwie do Szkoły Konstrukto−

rów listy te nie będą publikowane,

ani oceniane. Osoba, która otrzyma

dany podzespół może, ale wcale

nie jest zobowiązana, napisać po−

tem do redakcji EdW i albo zapre−

zentować samodzielnie opracowa−

ne, kompletne urządzenie, albo po−

dzielić się swymi uwagami na te−

mat napotkanych trudności, albo

nawet opisać okoliczności uszko−

dzenia elementu (wiemy, że często

zdarza się to podczas eksperymen−

tów). Najbardziej interesujące listy

zawierające plon takich praktycz−

nych doświadczeń zostaną opubli−

kowane w EdW.

Redakcja będzie też prezento−

wać własne rozwiązania.

Dziś w Klubie Konstruktorów

prezentujemy bardzo interesujący

podzespół elektroniczny − półprze−

wodnikowy czujnik ciśnienia.

Półprzewodnikowy czujnik

ciśnienia KPY43A

Spośród wielu przetworników wiel−

kości nieelektrycznych na elektryczne,

przetworniki ciśnienia były do tej pory nie−

osiągalne dla amatorów. Barierą była przede

wszystkim wysoka cena, a także brak

przystępnych informacji na ten temat.

Tymczasem bardzo wielu hobbystów

chciałoby wykonać barometr elektronicz−

ny. Lotniarze i szybownicy są zaintereso−

wani budową wysokościomierza. Zasto−

sowanie elektronicznych czujników ciś−

nienia jest pożądane w wielu procesach

technologicznych. Elektronicznym po−

miarem ciśnienia są też zainteresowani

uczniowie i studenci, wykonujący prace

dyplomowe.

Przed kilku laty wydawało się, że mo−

mentem przełomowym będzie wypusz−

czenie przez firmę Philips stosunkowo

taniego czujnika KPY10. Czujnik ten zo−

stał zaprezentowany na łamach Elektro−

niki Praktycznej, gdzie opisano układ ba−

rometru−wysokościomierza. Niestety,

cieszący się dużym powodzeniem kit

AVT−185 musiał zostać wycofany z ofer−

ty ze względu na niemożność zakupu ko−

lejnej partii czujników: firma Philips za−

przestała produkcji układu KPY10.

Obecnie na krajowym rynku dobrze

reprezentowane są firmy Siemens i Mo−

torola, które mają w swej bogatej ofercie

również czujniki ciśnienia. Zaprezentuje−

my ofertę Siemensa − firmy, która przez

krajowych przedstawicieli zapewnia do−

stęp do wszystkich swoich wyrobów.

Siemens produkuje cały szereg czujni−

ków ciśnienia względnego i bezwzględ−

nego na zakres 5kPa...40MPa. Czujniki

te w zależności od przewidzianego za−

stosowania, mają różną konstrukcję we−

wnętrzną i różne obudowy.

Szczegóły technologiczne zainteresu−

ją tylko specjalistów, natomiast Czytelni−

kom Elektroniki dla Wszystkich z powo−

dzeniem wystarczy garść podstawo−

wych informacji o budowie wewnętrz−

nej. Oto one.

Wszystkie czujniki ciśnienia firmy Sie−

mens posiadają cieniutką krzemową

membranę trawioną w płytce krzemo−

wej. Na tej membranie, metodą implan−

tacji jonów, wytworzone są ścieżki re−

zystancyjne. Pod wpływem ciśnienia

membrana ulega odkształceniu i oczy−

wiście pojawiają się w niej naprężenia

materiału. Okazuje się, że rezystancja

wspomnianych ścieżek silnie zależy

właśnie od naprężeń powstałych

w krysztale. Występuje tu tak zwany

efekt piezorezystancyjny, czyli zmiana

rezystancji pod wpływem naprężeń ma−

teriału. Nie chodzi tu jednak o zmianę re−

zystancji przy zmianie wymiarów (rozcią−

ganiu) − efekt, który występuje w tenso−

metrach (czyli metalowych ścieżkach na−

klejanych na odkształcany element).

Efekt piezorezystancyjny w odpowied−

nio domieszkowanych półprzewodni−

kach jest kilkadziesiąt razy większy niż

w metalach.

Ultraniskoszumne przedwzmac−

niacze SSM−2016 obiecane w nu−

merze dziewiątym EdW otrzymują:

1. Artur Orłowski z Legionowa

2. Tadeusz Wąsala z Warszawy

3. Rafał Szymański z Łodzi

4. Jan Piegza z Siemianowic Śl.

5. Henryk Stefański z Lipnicy.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/96

Klub Konstruktorów

Rys. 1. Budowa czujników KPY.

rysunku 1 można zobaczyć niektó−

re szczegóły konstrukcji.

Niestety, pomimo naprawdę zadzi−

wiających rozwiązań konstrukcyjnych

i technologicznych, czujniki ciśnienia na−

dal mają pewne istotne wady. Przede

wszystkim ich parametry zależą od tem−

peratury. Zależność od temperatury

można jednak skompensować: albo

sprytną metodą bezpośrednią polegają−

cą na dodaniu kilku rezystorów i wyko−

rzystaniu czujnika temperatury, albo też

programowo w układach zawierających

mikroprocesor.

Właśnie dla umożliwienia kompensa−

cji termicznej, w czujnikach Siemensa

wbudowano dodatkowy czujnik tempe−

ratury − R T . Paramety czujnika tempera−

tury odpowiadają czujnikom rodziny

KTY10 o rezystancji nominalnej (+25 o C)

równej 2k W (zobacz EdW 5/96 str. 11).

Schemat wewnętrzny kompletnego

czujnika ciśnienia z rodziny KPY pokaza−

no na rysunku 2

pilarę pomiarową o średnicy nieco

ponad 3mm. Ponadto zamiast nóżki nu−

mer 1 również zastosowano cienką rur−

kę. W czujniku pokazanym na fotografii

rurka ta jest zaciśnięta i zgrzana.

Na rysunku 1 pokazano budowę we−

wnętrzną czujnika ciśnienia. Jak widać,

w zasadzie mierzy on różnicę między ciś−

nieniami z dwóch stron membrany po−

miarowej. Jest to więc czujnik ciśnienia

względnego.

Jeśli jednak z wnętrza obudowy zo−

stanie wypompowane powietrze, a rur−

ka umieszczona w miejscu nóżki 1 bę−

dzie dokładnie zatkana, uzyska się czuj−

nik ciśnienia absolutnego czyli bez−

względnego.

W czujniku ciśnienia absolutnego, rur−

ka udająca nóżkę nr 1 jest więc zamknię−

ta − w oznaczeniu typu występuje litera

A (od ang. absolute), np. KPY43A. Czuj−

nik ciśnienia względnego (różnicy ciś−

nień), ma tę rurkę otwartą, a w oznacze−

niu występuje litera R (od ang. relative),

np. KPY43R.

Druga cyfra w oznaczeniu KPY4X, lub

KPY5X wskazuje na zakres ciśnień mie−

rzonych:

1: 0...0,25bar (2)

2: 0...0,6bar (6)

3: 0...1,6bar (10)

4: 0...4bar (16)

Rys. 2. Schemat wewnętrzny

układów KPY.

W zależności od grubości, wymiarów

i kształtu membrany uzyskuje się inny

zakres mierzonych ciśnień.

Dla polepszenia parametrów stosuje

się cztery odpowiednio rozmieszczone

ścieżki rezystancyjne, czyli rezystory po−

miarowe, które są połączone w mostek.

Jeśli ciśnienie zwiększa się, jedna para

przeciwległych rezystorów zwiększa

swą rezystancję, natomiast druga para −

zmniejsza.

Dzięki zastosowaniu nowoczesnej

technologii osiągnięto stosunkowo wy−

soką czułość, co ważne − charakterysty−

ka jest zbliżona do liniowej. Ponadto

uzyskano wysoką niezawodność, małe

rysunku 2. Numery wyprowadzeń

dotyczą czujników o oznaczeniach

KPY41...47 i KPY51...57.

Stosunkowo łatwa do skompensowa−

nia zależność czułości przetwarzania od

temperatury, nie jest jednak jedynym

problemem. W precyzyjnych układach

pomiarowych istotnym ograniczeniem

jest występowanie histerezy.

Głównie chodzi tu o histerezę ter−

miczną − po zmianach temperatury para−

metry mogą się niejako przesunąć, na−

wet do 0,5...0,7% (w odniesieniu do peł−

nej skali).

Natomiat histereza związana ze zmia−

nami ciśnienia została, dzięki odpowied−

nim rozwiązaniom, zredukowana do

praktycznie pomijalnej wartości poniżej

0,1% pełnej skali.

Na rysunku 3

rysunku 3 pokazano rysunek obu−

dowy i numerację nóżek (widok od dołu),

a na fotografii można zobaczyć czujnik

z rodziny KPY4X. Jak widać, od spodu,

w osi obudowy umieszczono rurkę − ka−

Rys. 3. Obudowa i układ wyprowa−

dzeń.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/96

wymiary i stosunkowo niewielki koszt

produkcji.

Na rysunku 1

rysunku 1

rysunku 2

rysunku 3

Klub Konstruktorów

Parametry czujnika KPY43A

Stałe napięcie zasilające: typ. 5V, max 12V

Zakres temperatur pracy: −40...+125 o C

Czułość s: typ. 8,8mV/Vbar (5,6...12,5mV/Vbar)

Napięcie pełnej skali V fin ( P=0...1,6bar, Uzas=5V): typ. 70mV (45...100mV)

Współczynnik cieplny napięcia pełnej skali TCV fin :

typ. −0,16%/K

(−0,19...−0,12%/K)

Rys. 4. Najprostsza aplikacja czujnika.

Napięcie przesunięcia V o :

±25mV

Współczynnik cieplny nap. offsetu TCV o :

±0,03%/K

Rezystancja mostka Rb:

4...8k W

Współczynnik cieplny rezystancji mostka TC Rb :

+0,095%/K

Błąd nieliniowości F L :

typ. ±0,15%V fin

Histereza ciśnieniowa P H :

typ. ±0,1%V fin

Histereza temperaturowa TH:

typ. ±0,3% (V fin )

Rezystancja wbudowanego czujnika temperatury Rt:

2k W przy +25 o C

Rys. 5. Wpływ temperatury na

parametry czujnika ciśnienia.

zerowego napięcia przy zerowej różnicy

ciśnień między obiema stronami memb−

rany (czujnik ciśnienia absolutnego

umieszczony w próżni powinien na wy−

jściu mieć napięcie równe zeru). Przy ze−

rowej różnicy ciśnień między obiema

stronami mambrany występuje na wy−

jściu − między nóżkami 7 i 3 − pewne na−

pięcie stałe, zwane napięciem przesu−

nięcia (niezrównoważenia, offsetu) ozna−

czane U o lub V o . Napięcie to może mieć

znaczną wartość, nawet ±25mV i dla

uzyskania poprawnych wyników musi

być w jakiś sposób uwzględnione czy

skorygowane.

Co gorsza, to napięcie offsetu nie jest

stałe − zmienia się pod wpływem tempe−

ratury ze współczynnikiem TCV o .

Pod wpływem temperatury zmienia

się także rezystancja czterech rezysto−

rów pomiarowych Rb − zmiany te charak−

teryzuje współczynnik TC Rb .

Wpływ zmian temperatury na napię−

cie wyjściowe dla przykładowego eg−

zemplarza pokazany jest na rysunku 5

napisać odpowiedni program, który obli−

czy aktualną wartość ciśnienia na pod−

stawie bieżącego napięcia wyjściowego

mostka i rezystancji czujnika temperatu−

ry, uwzględniając te indywidualne dane.

Należy jeszcze koniecznie zauważyć,

że czułość s jest wprost proporcjonalna

do wartości napięcia stałego zasilające−

go mostek − stąd czułość wyrażana jest

w mV/bar na wolt napięcia zasilającego.

Zmiany napięcia zasilającego przy stałym

ciśnieniu, spowodują proporcjonalne

zmiany napięcia wyjściowego. Patrząc

z jednej, strony należałoby więc zadbać,

żeby napięcie zasilające mostek było

dobrze stabilizowane. Ale z drugiej stro−

ny, dzięki takiej zależności jest możliwa

kompensacja termiczna czujnika − wy−

starczy odpowiednio uzależnić napięcie

zasilania mostka od temperatury. Kon−

struktorzy Siemensa wykazali tu rzeczy−

wiście wielką pomysłowość: właśnie ta−

ką kompensację umożliwia dodatkowy

czujnik temperatury, wbudowany we−

wnątrz obudowy elementu KPY. Sto−

sowny schemat podany jest na rysunku

5: 0...10bar (30)

6: 0...25bar (40)

7: 0...60bar (70)

Na przykład KPY43A to czujnik ciśnie−

nia bezwzględnego o zakresie 1,6bar,

czyli 1600 hektopaskali. W nawiasach

podano maksymalne ciśnienie (w ba−

rach), jakie nie spowoduje jeszcze

uszkodzenia czujnika.

Dla ułatwienia poniżej podano zależ−

ności między używanymi w praktyce

jednostkami ciśnienia:

1bar = 14,502psi

1bar = 10,2mH 2 O

1bar = 1,02at

1bar = 1,02kp/cm 2

1bar = 750mm Hg (Tor)

1bar = 10 5 N/m 2

1bar = 100kPa

1bar = 1000hPa.

Na rysunku 4

rysunku 5.

W katalogu podaje się też dalsze para−

metry: błąd liniowości (F L ), histereza po−

wstająca pod wpływem ciśnienia (P H ),

histereza związana ze zmianami tempe−

ratury (TH). Najogólniej biorąc, wartości

tych parametrów podawane są w pro−

centach odniesionych do pełnej skali

(V fin ).

W ramce podano wartości wszyst−

kich potrzebnych parametrów dla czujni−

ka KPY43A. Czujnik ten ma zakres po−

miarowy 0...1600hPa, znakomicie nada−

je się więc do budowy barometrów, wy−

sokościomierzy, itp.

Trzeba też wiedzieć, że z każdym

czujnikiem KPY dostarczana jest kartecz−

ka zawierająca dokładne dane tego właś−

nie egzemplarza.

Na kartce tej podano między innymi

zmierzone dokładnie wartości V o , V fin ,

Rb, TCV o , TCV fin , F L oraz Rt(+25 o C) tego

czujnika. Umożliwiają one przeprowa−

dzenie kompensacji w systemie pomia−

rowym zawierającym przetwornik analo−

gowo−cyfrowy i mikroprocesor: należy

rysunku 5

rysunku

6. Odpowiednie dobranie rezystorów Rv

i Rp pozwala na skompensowanie wpły−

wu temperatury. Należy jednak mieć

świadomość, że taka kompensacja nie

likwiduje napięcia przesunięcia (offsetu),

rysunku 4 pokazano najprostszą

aplikację czujnika z rodziny KPY. Sygna−

łem wyjściowym jest napięcie na prze−

kątnej mostka (między nóżkami 7 i 3).

Napięcie to przy zmianach ciśnienia

zmienia się od zera do kilkudziesię−

ciu...kilkuset miliwoltów. Zakres napię−

cia wyjściowego uzyskiwany przy zmia−

nach ciśnienia od zera do wartości nomi−

nalnej, oznaczany jest U fin lub V fin .

Wydawałoby się, że jedynym waż−

nym parametrem czujnika ciśnienia jest

czułość przetwarzania zmian ciśnienia na

napięcie (oznaczana s) oraz ewentualnie

współczynnik informujący o wpływie

temperatury (TCV fin ). W rzeczywistości,

że względu na niedoskonałość procesu

technologicznego, nie udaje się uzyskać

Rys. 6. Układ biernej kompensacji

termicznej.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/96

rysunku 4

Klub Konstruktorów

tylko powoduje, że temperatura nie ma

wpływu na zależność napięcia wyjścio−

wego od ciśnienia (zamiast rodziny cha−

rakterystyk z rysunku 5, uzyskuje się jed−

ną prostą dla całego zakresu temperatur

pracy).

Dobór wspomnianych rezystancji wy−

daje się zadaniem bardzo trudnym.

W rzeczywistości nie wymaga to żadne−

go wysiłku, ponieważ na wspomnianej

karteczce z indywidualnymi parametrami

podano także gotowe wartości Rv i Rp.

Na rysunku 6 pokazano dwa rezystory

Rv (R V1 i R V2 ). W praktyce stosuje się za−

zwyczaj dwa rezystory umieszczone

z dwóch stron mostka, których suma−

ryczna rezystancja wynosi Rv (najczęś−

ciej R V1 = R V2 = 0,5Rv). Natomiast z re−

zystancją Rp sprawa wygląda zupełnie

inaczej. Napięcie offsetu może być, po−

wiedzmy w uproszczeniu, dodatnie lub

ujemne. Aby skompensować współ−

czynnik cieplny tego napięcia, należy za−

wsze stosować tylko jeden rezystor Rp,

i należy go dołączyć między nóżkę 6,

a jedno z wyjść mostka. Jeśli podana na

załączonej do czunika karteczce wartość

Rp jest dodatnia, należy rezystor Rp do−

łączyć do dodatniego wyjścia mostka

(między nóżki 6 i 7). Jeśli natomiast po−

dano wartość ujemną, rezystor Rp nale−

ży dołączyć do nóżki 3 (między nóżki

6 i 3).

Wartość zewnętrznego rezystora R L

jest stała i powinna wynosić 806 W 1%.

Ponieważ w sumie czujnik jest ele−

mentem półprzewodnikowym, monto−

wanym bezpośrednio w metalowej obu−

dowie, dla uniknięcia przepływu prądów

przez pasożytnicze złącza w strukturze,

metalowa obudowa czujnika powinna

być dołączona do punktu układu

o napięciu wyższym, niż napięcia na

końcówkach czujnika (w praktyce do

plusa zasilania), jak to pokazano na

rys. 6.

Możliwości wykorzystania

Czytelnicy EdW znajdą szereg róż−

nych zastosowań dla opisanych czujni−

ków KPY43A. Przede wszystkim warto

pomyśleć o barometrze.

Przy projektowaniu układu należy

zwrócić uwagę na, w sumie niewielki,

sygnał wyjściowy. Przykładowo zmiana

ciśnienia o 10hPa spowoduje zmianę na−

pięcia wyjściowego tylko o około 0,3mV.

Jeśli więc zastosowany będzie wzmac−

niacz sygnału mostka (zbudowany z uży−

ciem wzmacniaczy operacyjnych), to po−

winien on mieć dobre parametry ter−

miczne. Chodzi tu o katalogowy para−

metr zwany dryftem napięcia niezrówno−

ważenia, który w popularnych wzmac−

niaczach operacyjnych ma wartość rzę−

du 10µV/K. Nie ma natomiast większego

znaczenia wartość napięcia niezrówno−

ważenia, bo i tak zostanie ona uwzględ−

niona przy kalibracji.

W niektórych przypadkach zastoso−

wanie wzmacniaczy operacyjnych zwięk−

szy tylko błędy, warto więc pomyśleć,

czy czujnik nie mógłby współpracować

bezpośrednio z kostką woltomierza, na

przykład ICL7106. Przecież w kostce

ICL7106 można ustawić napięcie odnie−

sienia inne niż 1V, czy 100mV. Należy tyl−

ko ocenić, czy błędy miernika pracujące−

go przy napięciu odniesienia rzędu trzy−

dziestu miliwoltów będą mniejsze niż

błędy wniesione przez ewentualny

wzmacniacz. Według wstępnych sza−

cunków, bezpośrednia współpraca czuj−

nika z kostką ICL7106 jest najlepszą dro−

gą wykonania barometru. Warto rozwa−

żyć, czy nie umieścić układu w termosta−

cie utrzymującym stale temperaturę rzę−

du 35...50 o C i zrezygnować tym samym

z układy kompensacyjnego z rysunku 6.

Wtedy odpadłyby wszystkie problemy

związane z dryftami cieplnymi wszyst−

kich elementów układu.

Trzeba też zwrócić uwagę na stabil−

ność napięcia zasilającego mostek. Po−

winno to być napięcie dobrze stabilizo−

wane. Wbrew pozorom ryzykowne było−

by uproszczenie układu i wykorzystanie

w roli napięcia odniesienia, napięcia z re−

zystorowego dzielnika napięcia zasilania.

To istotnie uniezależniłoby współczynnik

skali od napięcia zasilającego, ale mógł−

by pojawić się dodatkowy błąd związany

z napięciem niezrównoważenia (offsetu)

czujnika ciśnienia.

Uwagi dodatkowe

Przyjęte rozwiązania technologiczne

oraz indywidualne pomiary każdego eg−

zemplarza wpływają na cenę wyrobu.

Nie można się dziwić, że przy zakupie po−

jedynczych sztuk, za czujnik KPY43A

trzeba zapłacić obecnie około 200 no−

wych złotych.

Dwa takie kosztowne czujniki otrzy−

maliśmy bezpłatnie dzięki uprzejmości

firmy Siemens i jej krajowego przedsta−

wiciela p. Juliusza Głąbińskiego z działu

półprzewodników.

Czekają one już w redakcji. Autorzy

dwóch najbardziej przekonujących listów

otrzymają je do prób, i będą mogli je do−

wolnie zastosować.

Istnieje też możliwość zakupu czujni−

ków u krajowych dystrybutorów. Osoby

poważnie zainteresowane budową baro−

metru elektronicznego oraz wszystkich,

zdecydowanych nabyć sam czujnik, pro−

simy o kontakt z redakcją. W razie zain−

teresowania, możemy opracować układ

barometru (szacunkowy koszt ok. 300zł)

i wprowadzić czujniki do oferty firmy

AVT.

Najciekawsze

artykuły

w bratnich

miesięcznikach:

EP 11/96

Wzmacniacz do wszystkiego

Test − zestawy

uruchomieniowe dla

komputerów 8−bitowych

Wzmacniacz z układami

Overture

Fotograficzny zegar

ciemniowy, część 1

"Kaczka" gitarowa

Miernik częstotliwości do

komputera Pc, część 1

Sterownik świateł dziennych

samochodu osobowego

Tester pilotów RC−5, część 2

Miernik temperatury

Podzespoły − analogowe

ukady programowalne

EE 10/96

cyfrowy termometr max−min

DIP−meter

Tester parowania

kondensatorów

Tester rezystancji przejścia

Zdalny wyłącznik

Wyłącznik sieciowy oddalony

od sieci

Szerokopasmowy (50MHz)

miernik dBm

Miniaturowy wzmacniacz

mocy

Układ do przełączania

joysticka

(red)

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/96

Elektroniczna różdżka

Cyfrowy kompas

Ogranicznik mocy m.cz.

(red)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: