Промышленные датчики CFSensor для измерения давления, расхода, температуры и тока

19 февраля

Дмитрий Илларионов (г. Нижний Новгород)

Датчики – основа систем контроля в промышленности и автомобильном производстве. Китайская компания CFSensor разрабатывает и производит для этих сегментов индустрии планарные и врезные датчики давления, расхода газа и жидкостей, а также решения для измерения тока и температуры.

Датчики, преобразующие различные физические величины в электрические сигналы, являются одними из основных элементов современных автомобильных и промышленных систем. Благодаря такой функциональности они позволяют контролировать текущее состояние системы, а также строить цепи обратной связи по давлению, температуре, току, скорости и другим показателям. Надежная и безопасная работа электронного комплекса предъявляет высокие требования к качеству применяемых компонентов.

Компания CFSensor является одним из азиатских производителей микроэлектромеханических систем (МЭМС). Ее ассортимент содержит довольно широкий спектр различных датчиков, которые активно используются в промышленности, автомобилестроении, здравоохранении, метрологии, бытовой электронике и других областях. Электронные компоненты CFSensor применяется не только в Китае: продукция компании представлена на мировом рынке. Имея почти 10 лет опыта, компания ведет разработки в области МЭМС и обладает патентами на ряд технологических решений, а также сертификат системы менеджмента качества ISO9001. С основными характеристиками продукции CFSensor можно ознакомиться в каталоге КОМПЭЛ.

Датчики давления для установки на печатную плату

Одним из основных направлений компании CFSensor являются датчики давления на базе кремниевых пьезорезистивных микросхем собственной разработки. Бо́льшая часть этой продукции предназначена для установки на печатную плату (рисунок 1), при этом в ассортименте производителя имеются датчики как для монтажа в отверстия (DIP), так и для поверхностного монтажа (SMD).

Рис. 1. Датчики CFSensor для различных способов монтажа на печатную плату

Кроме того, CFSensor предоставляет разработчику возможность выбора конфигурации портов для подвода среды: они могут иметь вертикальное или горизонтальное расположение (рисунок 2).

Рис. 2. Датчики CFSensor с различными вариантами расположения портов

Сами порты могут быть трех видов: гладкими, с зазубринами (Barbed) или в виде обычных отверстий для безштуцерного подвода (рисунок 3).

Рис. 3. Виды портов в датчиках CFSensor

Датчики CFSensor, предназначенные для установки на печатную плату, позволяют измерять давление в достаточно широких пределах (таблица 1). Полный диапазон измеряемой величины может составлять от десятых долей кПа (XGZP6810D) до 2500 кПа (XGZP6878A, XGZP6830D и другие). При этом практически все устройства имеют несколько модификаций, каждая из которых обладает своим собственным диапазоном измерений, который указывается в наименовании модели (как пример, см. таблица 1). Также по договоренности с производителем клиент может заказать партию датчиков с нестандартными параметрами.

Таблица 1. Диапазоны измеряемого давления датчиков CFSensor на печатную плату*

* Приведенные выше модели датчиков даны в качестве примера. Доступны варианты с другими диапазонами давления, например, -7…7 кПа или 0…700 кПа.

По типу измеряемого давления датчики CFSensor на печатную плату, делятся на три группы (рисунок 4):

• Gauge Pressure Type – датчики для измерения абсолютного давления, при котором за нулевую точку принимается значение 101,3 кПа (референсное значение, зафиксированное в запечатанной камере при производстве). Такие устройства измеряют требуемый параметр системы относительно атмосферного давления и имеют один порт для подвода среды (рисунок 4а).
• Absolute Pressure Type – датчики для измерения абсолютного давления. Требуемый параметр измеряется относительно вакуума, вводный порт один (рисунок 4б).
• Differential Pressure Type – датчики для измерения дифференциального давления. Сигнал на выходе таких датчиков пропорционален разнице значений давления, подаваемого на порты подвода, поэтому количество вводных портов равно двум (рисунок 4в).

Рис. 4. Различные типы датчиков измеряемого давления

По типу выходных данных большинство рассматриваемых датчиков может быть разбито на две группы:

• Датчики с аналоговым выходом и встроенным нормирующим усилителем. У таких устройств выходной аналоговый сигнал пропорционален величине измеренного давления, причем полный размах этого сигнала примерно соответствует напряжению питания. На то, что датчик относится к рассматриваемой группе, указывает наличие индекса «A» после номера серии: XGZP6847A, XGZP6859A, XGZP6857A и так далее. Практически все они имеют как модификации с напряжением питания +5,0 В, так и варианты с питанием от шины +3,3 В.
• Датчики с интерфейсом I²C. Такие устройства выдают величину измеренного давления в явном виде посредством стандартной последовательной шины I²C. Кроме того, практически все они имеют возможность измерения температуры окружающей среды, для передачи которой используется тот же цифровой интерфейс. На то, что датчик относится к рассматриваемой группе, указывает наличие индекса «D» после номера серии: XGZP6891D, XGZP6816D, XGZP6825D и так далее. Обратите внимание, что многие серии датчиков CFSensor имеют как аналоговые, так и цифровые модификации, то есть включают в себя и компоненты с индексами как «A», так и «D», например, XGZP6847, XGZP6859, XGZP6877 и другие.

Кроме того, в ассортименте компании CFSensor присутствуют модели с аналоговым выходом, не имеющие встроенного нормирующего усилителя, например, XGZP191…XGZP197, XGZP150, XGZP160 и другие. У таких датчиков выходной аналоговый сигнал снимается непосредственно с измерительного моста, поэтому, в отличие от компонентов с индексом «A», полный размах этого сигнала составляет всего несколько десятков мВ. Датчики без встроенного усилителя не имеют никаких индексов после номера серии, и для работы с ними обычно требуется внешняя схема усиления.

Отметим, что большинство датчиков CFSensor, предназначенных для установки на печатную плату, являются калиброванными и имеют встроенную схему термокомпенсации. В большинстве случаев она рассчитана на работу в диапазоне 0…60°С, то есть коррекция ошибок, вызванных изменением температуры, будет осуществляться не во всем рабочем температурном диапазоне датчика. При этом в ассортименте производителя есть модели базовой комплектации, у которых термокомпенсация и лазерная калибровка отсутствуют: XGZP150, XGZP160, XGZP170 и прочие. Для работы с ними требуется внешняя схема и индивидуальная калибровка каждого датчика, однако за счет невысокой стоимости измерительного элемента в ряде случаев такой подход может быть целесообразным (особенно для уникальных устройств, выпускающихся в единичных экземплярах).

Сфера применения датчиков CFSensor, устанавливаемых на печатную плату (таблица 2), достаточно обширна. Они могут использоваться в системах промышленной автоматизации, блоках управления климатом, компрессорном оборудовании, медицинских приборах, системах мониторинга уровня жидкости и других сферах. Кроме того, некоторые серии датчиков специально разработаны для применения в конкретных устройствах:

• стиральных машинах (XGZP6841);
• кофемашинах (XGZP6825D);
• системах контроля давления в автомобильных шинах (XGZP6812D);
• аппаратах ИВЛ (XGZP6897) и другом оборудовании.

Например, датчик XGZP197 предназначен для инвазивного измерения артериального давления и соответствует стандартам ассоциации содействия развитию медицинской техники (AAMI).

При этом следует иметь в виду, что ряд датчиков CFSensor имеет типоисполнительные и электрические характеристики, совместимые с решениями других производителей, что может упростить модернизацию или редизайн устройств.

Таблица 2. Датчики давления CFSensor для установки на плату

^* – наличие в ячейке «Интерфейс» какого-либо диапазона напряжения или тока говорит о том, что датчик имеет аналоговый выход

Врезные датчики давления

Еще одно направление, широко представленное в ассортименте компании CFSensor – датчики давления врезного типа. Данные измерительные элементы предназначены для врезки в трубы систем газо- и водоснабжения в целях контроля давления поступающих газов и жидкостей.

Подавляющее большинство врезных датчиков, выпускаемых CFSensor, используется для измерения избыточного давления и позволяет работать как с относительно малыми величинами (-100…200 кПа), так и с высокими значениями вплоть до 40 МПа. При этом следует иметь в виду, что у каждой серии измерителей есть несколько модификаций с разными рабочими диапазонами измеряемого давления. Выходные данные, в зависимости от конкретной модели, могут быть получены пользователем в аналоговом или цифровом виде – посредством токового сигнала или напряжения либо при помощи шины I²C.

Большинство врезных измерителей давления CFSensor рассчитано на установку в отверстие с цилиндрической трубной резьбой BSPP размером 1/4 дюйма (G1/4), однако есть модели и с другими присоединительными размерами. Все врезные датчики производства этой компании имеют степень защиты IP65 или IP67 и позволяют работать в достаточно широком температурном диапазоне -40…100°С (за исключением измерителей низкого давления).

В ассортименте компании CFSensor продукция данного сегмента представлена следующими датчиками:

• XGZP6185 – базовая серия с пьезорезистивной мембраной, позволяющей измерять давление в диапазоне 0…1/1,6/2,5 МПа. Выходные данные предоставляются в аналоговом виде посредством напряжения (0,1…0,9 Vcc) либо токового сигнала (4…20 мА). В первом случае питание датчика должно лежать в пределах +3,0…+5,5 В, во втором – в диапазоне +10…+30 В. Для подключения измерителя к системе используется стандартная резьба G1/4 (рисунок 5).

Рис. 5. Внешний вид врезного датчика давления XGZP6185

• XGZP6171/XGZP6103/XGZP6107 – серии датчиков с пьезорезистивной мембраной, обладающих расширенными возможностями. В их числе – работа по цифровому интерфейсу I²C, измерение более высокого давления (верхняя граница диапазона может составлять 40 МПа), а также поддержка большего количества присоединительных резьб и способов электрического подключения (рисунок 6).

Рис. 6. Внешний вид датчиков CFSensor серий XGZP6171, XGZP6103 и XGZP6107

• XGZP6147/XGZP6169 – датчики с пьезорезистивной мембраной для измерения низкого давления газа (XGZP6147) и жидкости (XGZP6169) (рисунок 7). Верхний предел диапазона измерений устройств данных серий может составлять 2,5…200 кПа, нижний – 0…-100 кПа. В зависимости от конкретной модели, выходные данные могут выдаваться в аналоговом виде (0,1…0,9 Vcc) либо по шине I²C. Для подключения измерителя к системе используется стандартная резьба G1/4.

Рис. 7. Внешний вид датчиков XGZP6147/XGZP6169 с пьезорезистивной мембраной

• XGZP6130A/XGZP6118 – серии датчиков с масляным заполнением, имеющих степень защиты от внешних воздействий IP67. Диапазоны измеряемого давления такие же, как у базовой серии (XGZP6185), выходные данные могут выдаваться в аналоговом виде либо по шине I²C (рисунок 8). Для подключения измерителя к системе используется стандартная резьба G1/4.

Рис. 8. Внешний вид датчиков XGZP6130A/XGZP6118 с масляным заполнением

Автомобильные датчики

Ряд датчиков давления компания CFSensor разработала специально для применения в автомобильной промышленности (таблица 3). Среди них — среди датчиков XGZP6818, XGZP6812D, XGZP6832A и XGZP6845A, предназначенные для установки на печатную плату (рисунок 9).

Рис. 9. Внешний вид датчиков давления CFSensor для автомобильной промышленности

Область применения первого из них – измерение давления в автомобильных сидениях, второго – в шинах. Датчик XGZP6832A предназначен для работы во впускном коллекторе и в тормозной системе, XGZP6845A разработан для установки в бензиновые и дизельные сажевые фильтры (GPF и DPF, соответственно).

Таблица 3. Основные параметры датчиков давления для автомобильной отрасли

Как видно из таблицы 3, все модели измерителей являются калиброванными и имеют встроенную схему термокомпенсации. Обратите внимание, что у датчика XGZP6818 есть модификации «A» и «D», то есть он позволяет работать как с аналоговым сигналом на выходе, так и с интерфейсом I²C.

Среди датчиков давления врезного типа для применения в автомобильной промышленности предназначены три модели: XGZP6183A (Air), XGZP6183A (Oil) и XGZP6184A (рисунок 10).

Рис. 10. Внешний вид врезных датчиков давления для автомобильной промышленности

Датчик XGZP6183A (Air) предназначен для измерения давления воздуха в бачке тормозной системы. На основании данных, переданных датчиком в основной блок управления (ЭБУ), система принимает решение о необходимости подкачки или спуска воздуха из бачка. XGZP6183A (Oil) и XGZP6184A применяются для измерения давления масла в трубопроводах двигателя в целях оценки его исправной работы. В состав датчика XGZP6184A также входит NTC-терморезистор, позволяющий измерять температуру протекающей жидкости.

Данные автомобильные датчики позволяют измерять абсолютное давление в диапазоне 0,1…1,5/1,1/0,9 МПа, соответственно. Они имеют аналоговый выход, защиту от переполюсовки и повышенного значения напряжения питания, а также достаточно широкий спектр присоединительных размеров (М12×1,5…М22×1,5, NPT1/8, NPT1/4).

Помимо вышеперечисленных, в ассортименте CFSensor присутствуют специализированные автомобильные датчики, параметры и геометрическая конфигурация которых определяется их областью применения:

• XGZP6186A-00 – датчик системы контроля испарений топлива в автомобиле (Evaporative Emission Control System, EVAP). Его основная задача – мониторинг давления в тракте продувки угольного адсорбера. Устройство позволяет измерять давление в диапазоне 10…115 кПа, имеет аналоговый выход, а также защиту от неправильной полярности и повышенного значения напряжения питания (рисунок 11). Работа XGZP6186A-00 допускается при температурах -40…130°С.

Рис. 11. Внешний вид датчика системы контроля испарений топлива XGZP6186A-00

• XGZP6182A – датчики давления топливного насоса. Данная серия включает в себя четыре модели, имеющие разный диапазон измеряемой величины (от -3,25…1,25 кПа до -14,3…60,0 кПа), различные передаточные характеристики аналогового выхода, а также уникальное конструктивное исполнение (рисунок 12). Все датчики серии XGZP6182A имеют защиту от неправильной полярности и повышенного значения напряжения питания, при этом их работа допускается при температуре -40…135°С.

Рис. 12. Внешний вид датчиков давления топливного насоса серии XGZP6182A

• XGZR6191/XGZR6192 – автомобильные датчики скорости. Их основная задача – преобразование частоты вращения вала в электрический сигнал, пригодный для дальнейшей обработки ЭБУ или другими электронными блоками автомобиля. Датчик XGZR6191 является магниторезистивным, а XGZR6192 выполнен на базе датчика Холла. Амплитуда сигнала на выходе XGZR6191 зависит от частоты вращения вала n и расстояния между магнитной головкой датчика и магнитами на валу L_S (рисунок 13). Предельная рабочая частота XGZR6192 составляет 5 кГц.

Рис. 13. Измерение скорости датчиком XGZR6191

Данные датчики скорости допускают работу в диапазоне температур -40…150°С (рисунок 14). XGZR6191 и XGZR6192 соответствуют распространенным в автомобильной промышленности стандартам исполнения.

Рис. 14. Внешний вид датчиков скорости XGZR6191/XGZR6192

Датчики расхода

При проектировании промышленных, автомобильных, медицинских и бытовых систем возникает необходимость контроля не только давления, но и скорости потока жидкостей или газов. Для решения этой задачи обычно используют датчики расхода – устройства, преобразующие изменения потока контролируемой величины в электрический сигнал, который может быть считан и интерпретирован главным контроллером системы или другим управляющим устройством. В ассортименте компании CFSensor измерители подобного рода представлены моделями следующих серий:

• Датчики серии XGZF3000 позволяют измерять расход воздуха, азота или кислорода в стандартных кубических сантиметрах в минуту (SCCM) при протекании газа либо в одном, либо в обоих направлениях (рисунок 15). Нижняя граница диапазона измерений этих датчиков равна 0SCCM, верхняя может составлять 100…3000 SCCM, в зависимости от конкретной модели устройства. Выходные данные могут выдаваться пользователю либо в виде постоянного напряжения, лежащего в одном из двух диапазонов (0,5…4,5 В или 1,0…5,0 В), либо в цифровом виде при помощи интерфейса I²C. Питание датчика может составлять +8,0…+24,0 В или +5,0 В. Работоспособность изделий сохраняется при температуре окружающей среды -20…65°С, работа схемы термокомпенсации гарантирована в диапазоне 0…50°С.

Рис. 15. Внешний вид датчиков расхода серии XGZF3000

• Модели серии XGZF4000 во многом схожи с измерителями XGZF3000, однако отличаются от них значением входного диапазона, рабочей температурой и конструктивом (рисунок 16).

Рис. 16. Внешний вид моделей серии XGZF4000

Датчики XGZF4000 измеряют расход газа в стандартных литрах в минуту (SLPM или SLM), при этом верхняя граница диапазона может составлять 5…500 SLM. Работоспособность измерителя сохраняется при температуре окружающей среды 0…50°С, что совпадает с рабочим диапазоном схемы термокомпенсации.

• Основные характеристики датчиков XGZF5000 практически полностью совпадают с параметрами устройств серии XGZF4000. Различия наблюдаются лишь в максимально допустимом измеряемом расходе (у данной серии он не должен превышать 300 SLM) и в доступном наборе входных диапазонов. Однако модели XGZF5000 имеют абсолютно другой конструктив: общий у них только электрический разъем (рисунок 17).

Рис. 17. Внешний вид датчиков расхода серии XGZF5000

Конструктивное исполнение моделей серии XGZF5000 отличается от XGZF3000 и XGZF4000, которые имеют электрические и конструктивные параметры, совместимые с рядом распространенных на рынке решений.

Датчики других типов

Ассортимент продукции компании CFSensor не исчерпывается только измерителями давления и расхода, описанными выше. Из наиболее востребованных компонентов, выпускаемых данным производителем, можно также отметить:

• Двунаправленные токовые датчики серии XGZC6201. В зависимости от конкретной модели, верхняя граница измеряемого тока может составлять ±10…120 А, при этом сенсор обеспечивает линейность не хуже ±0,5% во всем рабочем диапазоне температур (-40…105°С). Благодаря двунаправленности датчики XGZC6201 позволяют работать как с постоянным, так и с переменным током, обладая при этом достаточно высоким быстродействием: время отклика на полный токовый перепад не превышает 1,8 мкс, а полоса пропускания составляет 240 кГц. Для питания используется однополярное напряжение +5,0 В ±10%, при этом размах выходного аналогового сигнала не превышает ±1,0 В, что гарантирует отсутствие в нем каких-либо искажений, обусловленных нестабильностью питающего напряжения. Внешний вид измерителя XGZC6201, а также схема его включения показаны на рисунке 18, где:

• VEF – выход внутреннего источника опорного напряжения датчика;
• C_BYPASS = C_{L_REF} = 0,1 мкФ;
• C_L = 1 нФ.

Рис. 18. Внешний вид и схема включения датчика XGZC6201

• Цифровые дистанционные измерители температуры XGZT2613 и XGZT2614 представляют собой калиброванные быстродействующие инфракрасные термодатчики, не требующие каких-либо внешних цепей, поскольку выходные данные с них могут быть считаны по стандартному цифровому интерфейсу I²C (рисунок 19). Основная область их использования – тепловизоры, однако можно рассмотреть возможность их применения и в других дистанционных устройствах.

Питание обоих ИК-измерителей может лежать в пределах +2,3…+3,6 В, диапазон измеряемых температур составляет 0…150°С. Различия между датчиками заключаются в разном угле обзора: у XGZT2613 его типовое значение равно 60°, а у XGZT2614 – всего 10°. Кроме того, диапазон рабочих температур у первой модели измерителя намного шире, чем у второй: -30…90°С против 0…60°С. Однако датчик XGZT2614 имеет промышленный вариант исполнения, не только расширяющий допустимый температурный диапазон самого измерителя до -30…80°С, но и позволяющий работать с объектами, температура которых лежит в пределах -30…500°С.

Рис. 19. Внешний вид ИК-термодатчиков XGZT2613 и XGZT2614

• Датчик обнаружения углекислого газа XGZG360M позволяет измерять наличие в воздухе двуокиси углерода в диапазоне 400…5000 ppm посредством использования высокоточной технологии газового анализа NDIR (Non-Dispersive Infrared). Выходные данные могут передаваться по стандартному последовательному интерфейсу UART в виде цифрового сигнала с широтно-импульсной модуляцией либо при помощи постоянного напряжения, изменяющегося в диапазоне 0…2 В. Датчик характеризуется чувствительностью, рассчитанной на 400…5000 ppm, малым энергопотреблением, компактными габаритами, а также наличием встроенной схемы термокомпенсации (рисунок 20).

Рис. 20. Внешний вид датчика обнаружения углекислого газа XGZG360M

Напряжение питания XGZG360M может лежать в пределах +4,9…+5,5 В, диапазон рабочих температур составляет -10…50°С. Основные области применения: детекторы углекислого газа, устройства контроля качества воздуха в помещении, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, кондиционеры и другая техника.

Дополнительные материалы

1. Датчики CFSensor доступны со склада КОМПЭЛ
2. Датчики давления китайских производителей: высокое качество и доступность
3. КОМПЭЛ начинает работу с продукцией компании CFSensor