Устройство для измерения давления и температуры

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления на объектах в условиях изменяющейся температуры. Цель; повышение точности измерений. Сущность изобретения: устройство содержит рабочий стабилитрон, компенсирующий стабилитрон , коммутатор с ключевыми элементами, источник напряжения, первую и вторую мостовые измерительные схемы с резисторами , блок управления, блок измерения давления с нормирующими усилителями, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора с ключевыми элементами , вычислительным устройством, АЦП, индикатором, блок измерения температуры с нормирующими усилителями, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора. Блок управления выполнен в виде таймера. Процесс измерения давления и температуры разделен во времени на два цикла, причем производится взаимокоррекция информационных сигналов давления и температуры. В перерыве между измерени ями осуществляется тестирование измерительных каналов. 1. з. п. ф-лы, 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4493705/10 (22) 10.10.88 (46) 30.04.93. Бюл. 1Ф 16 (75) А, Ф. Алейников (56) Патент Японии N. 47-17392, кл. G 01 1 1/20, 1972.

Авторское свидетельство СССР

М 744255, кл, G 01 1 11/00, 1980. (54) УСТРОЙСТВО.ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВ,ЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления на объектах в условиях изменяющейся температуры. Цель: повышение точности измерений. Сущность изобретения: устройство содер>кит рабочий стабилитрон; компенсирующий стабилитрон, коммутатор с ключевыми элементами, Изобретение относится к измерительной технике, в. частности к устройствам для измерения давления на объектах, подвергнутых воздействию изменяющейся температуры.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения давления и температуры.

Устройство содержит рабочий стабилитрон 1 с выводами 2, 3, выполняющий функцию чувствительного элемента в процессе измерения давления и температуры, компенсирующий стабилитрон 4, коммутатор 5 с ключевыми элементами 6 — 11, источйик напряжения 12, первую мостовую измерительную схему 13 с резисторами 14-19, вторую мостовую измерительную схему 20 с резисторами 21-24,. блок управления 25 с пер.Я3,, 1812462 А1 (51)5 G 01 (11/00 источник напряжения, первую и вторую мостовые измерительные схемы с резисторами, блок управления, блок измерения давления с нормирующими усилителями, запоминающим устройством s виде конденсатора и коммутатора с ключевыми элементами, вычислительным устройством, АЦП. индикатором, блок измерения температуры с нормирующими усилителями, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора. Блок управления выполнен в виде таймера. Процесс измерения давления и температуры разделен во времени на два цикла, причем производится взаимокоррекция информационных сигналов давления и температуры. В перерыве между измерениями осуществляется-тестирование измерительных каналов. 1. з. и. ф-лы, 1 ил. вым 26, вторым 27, третьим 28, четвертым 29 и пятым 30 выходами, блок измерения дав. ления 31, состоящий из первого 32 и второго

33 нормирующих усилителей постоянного О© тока, запоминающего устройства (ЗУ) 34, выполненного, например, в виде конденса- ЬЭ тора 35 и коммутатора 36 с ключевыми эле- фь. ментами 37-39, вычислительного 0 устройства (BY) 40, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 41 и цифрового индикатора 42, блок измерения температуры 43, состоящий из первого 44 и второго 45 нормирующих усилителей постоянного тока, ЗУ

46, выполненного, например, в виде конденсатора 47 и коммутатора 48 с ключевыми элементами 49-51 BY 52, АЦП 53 и цифрового индикатора 54..

Вывод 2 рабочего стабилитрона 1 подключен к коммутационным входам ключевых элементов 7, 8 .коммутатора 5.

1812462

Коммутационные входы ключевых элемен- циала, к которой также подключен коммутатав 6, 10 соединены с выводом 3 рабочего ционный вход ключевого элемента 37. Комстабилитрона1. Коммутационный вход клю- мутационный вход же ключевого элемента чевого элемента 11 коммутатора 5 подклю- 38 коммутатора 36 ЗУ 34 соединен с одним .чен к одному из выводов резистора 21 5 из входов ВУ52 блока измерения темпера,второй мостовой иэмерйтельной схемы 20. туры 43, Установочный входАЦП41 подклюДругой вывод резистора 21 соединен с от- чен к первому выходу 26 блока уйравления рицательным полюсом источника питания 25; второй выход 27. которого- соединен с

12, с одним из выводов резисторов 14, 15 управляющим входом коммутатора 36 ЗУ первой мостовой измерительной схемы 13, 10 34, с одним из вИводов резистора 24 второй . Выход первого нормирующего усилйтемостовой измерительной схемы 20 и комму- ля постоянного тока 44 блока измерения тационйым выходом ключевого элемента 9 - температуры 43 подключен к другому входу коммутатора 5. Коммутационный выход ВУ 52. Коммутационные выходы ключевых ключевого элемента 6 подключен к положи- 15 элементов 49-51 коммутатора 48 ЗУ 46 абьтельному полюсу. источника питания 12, к чинены между собой и подключены к ододнимизвывадбв резисторов18.1 9 первой ной.из обкладок конденсатора 47, другая мостовой измерительной схемы 13 и к од-: . обкладка которого падключена к точке нуле- ним из вьаодав резисторов 22. 23. Другой coro потенциала. С ней же соединен комму: вйвад:резистора 22 соединен с одним из ® тационный вход ключевого элемейта 51

: входов перйого- йармируюЩега усилителя: коммутатора 48 ЗУ 46. Выход BY 52 через постоянного така 44 блока измерения тем- .. последовательно соединенные второй нор- . пературы 43 и коммутационным выходом : мирующийусилитель45,АЦП53подключен .ключевых элементов. 8, 11 коммутатора 5. ко входу цифрового индикатора 54 и соеди.Другой вывод резистора 23 подключен к 25 нен с коммутационным входом ключевого другйм вывода@резистора 24 и други 4 вхо- — элемейта 49 коммутатора 48 ЗУ 46. Устанадам первого усилителя постоянного тока 44 вочный вход АЦП 83 блока измерения темблока йзмерения температуры 43; Коммута- . пературы 43 соедйнен с третьим выходом 28 ционйый выход ключевого элемента 7 коМ-: блока управления 25, четвертый выход 29 мутатора 5 соединен с другиМ выводом 30 которогопадключенкуйравляющемувходу

:резистора 14 первой мостовой измеритель - коммутатора 48 ЗУ46. Пятый выход 30 блока .— ной.схемы 13, чераэ ее балайсирующий ре- управления 25 соединен. с управляющим зистор 1 6-.: с другйм в ывадом резистора 18 — входом коммутатора 5. . и СоДниМ:йЗвхоДов пеРвого йормйрУющегб .. Рассмотрим работу устройства Для изусйлителя постоянного тока 32 блока изме- 3" мерения давления по структурной схеме. рения давления 31, другой вход которого:. Рабочий стабилитран 1 помещается а

Йодключен к другому выводу резистора 19 и " . зону измерения. С помощью коммутатора 5, .: через балансирующий резйстар 17 соедй- первой и вгорой мостовых измерительных . ней с другим:выводом резистора 15 и с од- схем 13,20 из блоков измерения.давления и ним из вьйодав компенсирующегО ® температуры 31; 43 и блока управления 25 стабилйтрана 4, другой вывод котарага йад- процесс йзмерейия давления и температу. ключен к каммуйщионнаму вь хаду ключе-. pa! разделен во времени на два цикла. При вого элемента tQ коммутатора 5..: зтам при.измерении этих физических велиВыход:первого нармирующега.усилйте- чин. производится взаимакаррекция инфорля 32 6iioki изМереййя давления 31 соеди- 45 мационных: сйгналов с помощью ней с одним из входов BY 40. другой вход соответствующих нормирующихусилителей которото йадключен к коммутационному постоянного тока 32; 44, ЗУ 34, 46 и BY 40, входу ключевого элемента 50 коммутатора 52 блоков измеренйя давления 31 и темпе48 ЗУ 46 блока измерения температуры 43. ратурй43. Например, при измерении давлеВыход же ВУ 40 через последовательно са- М ния учитывается ранее сформированный. в единенные второй нармирующий усилитель . предыдущем цикле информационный сиг33, АЦП 41 подключен Ко входу цифравага нал (с помощью нормирующего усилителя индикатора 42 и соединен с каммутацион- постоянного тока 44) и заранее запомнен ным входом ключевага элемента 39 комму- ный на конденсаторе 47 ЗУ 46 блока изметатара 36, ЗУ 34. Коммутационные выхадй 55 рения температуры 43. Аналогично ключевых элементов 37 39 коммутатора 36 проводится коррекция информационного запоминающего устройства 34 соединены сигнала при измерении температуры, В пемежду собой и йодключены t< Одной из об-: рерыве между измерением по каждому какладок конденсатора 35, другая обкладка налу последовательно производится которайсаединена стачкой нулевого патен- периодическая проверка этих каналов с по1812462 мощью тестовых сигналов, которые формируются соответственно первой 13 и второй

20 мостовыми измерительными схемами, При измерении давления АЦП 41 приводится в исходное состояние с помощью импульса, подаваемого нэ его установочный вход с первого выхода 26 блока управления

25, и снимается остаточное напряжение (с предыдущего цикла) с конденсатора 35 ЗУ

34. Это достигается замыканием конденсатора 35 на точку с нулевым потенциалом с помощью ключевого элемента 37 коммутатора 36 ЗУ 34, управляемого импульсом со второго выхода 27 блока управления 25. После этого блок управления 20 (выход 27) устанавливает ключевой элемент 38 в положение "Разомкнуто", ключевой элемент 39 — в положение "Замкнуто", ключевые элементы 49, 51 коммутатора 48 ЗУ 46 (выход

29) находятся в положении "Разомкнуто", ключевой элемент 50 — в положении "Замкнуто", ключевые элементы 8, 9 коммутатора

5 (выход 30) — в положении "Разомкнуто", а ключевые элементы 6, 7, 10, 11 — в поло>кении "Замкнуто". Таким образом, к первой. мостовой измерительной схеме 13 подключается встречно рабочий 1 и компенсирующий 4 стабилитроны и на выходе этой схемы возникает информационный сигнал, несущий информацию об измеряемых давлении и температуре, При этом резисторы 14, 15 соответственно задают рабочий режим стабилитронов 1,5, резисторы 18, 19 вместе с балансирующими резисторами 16, 17 выступают в качестве сопротивлений нагрузки.этих стабилитронов, Напряжения стабилизации стабилитронов 1, 4 выбираются равными по размеру, причем температурный коэффициент напряжения компенсирующего стабилитрона 4 выбирается на несколько порядков меньше температурного коэффициента напряжения рабочего стабилитрона

1. Это делается в целях исключения дополнительной погрешности измерения давления при изменении. температуры окружающей среды, в которой работает образцовым средствам при отсутствии воздействия температуры в процессе изготовления, отладки и проверки устройства.

Одновременно с измерением давления со второй мостовой измерительной схемы

20 формируется тестовый сигнал, т.к. ключевой элемент 11 коммутатора 5 замкнут и резистор 21 подключен к плечу мостовой

45 схемы 20. Этот сигнал усиливается первым нормирующим усилителем 44 блока измерения температуры 43 и поступает на один из входов 52, В данный момент времени на втором входе ВУ 52 отсутствует сигнал коррекции, т,е. на втором входе установлен нуэлектронно-преобразующая часть устройства.

Так как практически напряжения стабилизации могут быть не равными, с помощью

50 балансирующих резисторов 16, 17 устанавливается нулевое значение сигнала первой мостовой измерительной схемы 13 при левой потенциал. Выходной сигнал усилителя 44 передается через ВУ52, усиливается вторым нормирующим усилителем принятом нулевом значении давления (1, 0 13

Па). Размер измерительных токов, протекающих через стабилитроны 1, 4, выбирается таким, чтобы этот ток не вызывал разогрева

45 и поступает на вход АЦП 53, который по команде блока управления 25 (выход 28) предварительно устанавливается в исходное состояние. Усиленный тестовый сигнал преобразуется в цифровой код с помощью

55 кристалла стабилитронов (резисторы 14, 15).

Выходной сигнал, снимаемый с первой мостовой измерительной схемы 13, усили- АЦП 53, и информация, характеризующая

35 вается первым нормирующим усилителем

32, который подается на один из входов BY

40. На другой вход подается корректирующее напряжение с конденсатора 47 ЗУ 46 блока измерения температуры 43 (через замкнутый ключевой элемент 50). Это напряжение было сформировано в предыдущем цикле, как это будет показано ниже. С выхода BY 40 информационный сигнал запоминается на ЗУ 34 (конденсатор 35 заряжается через замкнутый ключевой элемент

39 до размера выходного сигнала BY 40) и поступаст на вход второго нормирующего усилителя 33, который нормирует входной сигнал в соответствии с принятой шкалой измерения давления и при необходимости выполняет функцию личеаризации номинальной статической характеристики канала измерения давления, Линеаризация может быть осуществлена путем включения в цепь обратной связи усилителя 33 диоднорезисторных элементов, измеряющих коэффициент усиления усилителя 33 в зависимости от входного сигнала, Выходной сигнал второго нормирующего усилителя 33 преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 41, и информация о давлении отображается на цифровом индикаторе 42.

Формирование необходимой зависимости корректирующего напряжения, которое запоминается на конденсаторе 35, осуществляется изменением коэффициента передачи первого нормирующего усилителя 32 и приведением его передаточной характеристики к заданному виду. Все это может определяться экспериментальным путем при градуировке канала измерения давления по

1812462

20 мостовой измерительной схемы 20 в прямом включении, т,е. работает как термоди-, од. В данном случае такое включение 25

35

31. Скорректированный сигнал нормируется в соответствии с принятой шкалой темпе- 40 ратуры вторым нормирующим усилителем исправность тракта измерения температуры (и его соответствие заданным метрологическим характеристикам по электронно-преобразующей части устройства), высвечивается на цифровом индикаторе, Аналогично производится цикл измерения.температуры. В данном случае по команде блока управления 25 АЦП 41 (выход

26) и АЦП 53 (выход 28) устанавливаются в исходное состояние. Ключевые элементы: 6, 7, 10, 11 коммутатора 5, 37, 39 коммутатора

36 ЗУ 34, 50, 51 коммутатора 48 ЗУ 46 находятся в положении "Разомкнуто", ключевые элементы 8, 9 коммутатора 5, 38, коммутатора 36 ЗУ 34, 49 коммутатора 48 УЗ 46 находятся в положении "Замкнуто". При этом также кратковременным замыканием ключа 51 коммутатора 48 предварительно снимается остаточное напряжение коррекции конденсатора 47 (с предыдущего цикла измерения температуры). При этом рабочий стабилитрон 1 подключается в плечо второй стабилитрона 1 обосновывается практической независимостью его термаметрических характеристик от давления и только при высоких размерах давления возникает необходимость коррекции канала измерения температуры (> 10 кгс/см ). Сигнал рассогласования с выхода второй мостовой измерительной схемы 20 усиливается и нормируется первым усилителем 44 и поступает на один из входов BY 52, на другой вход которого поступает сигнал коррекции, снимаемый с конденсатора 35 через ключевой элемент 38 ЗУ 34 блока измерения давления

45, преобразуется в цифровой код АЦП 53 и информация о температуре отображается на цифровом индикаторе 54. Одновременно по каналу измерения давления с выхода первой мостовой измерительной схемы 13 поступает тестовый сигнал, так как несмотря на то, что стабилитроны 1, 4 отключены от нее коммутатором 5, мостовая схема 13 (как и мостовая схема 20) постоянно подключена к источнику питания 12. При этом следует учесть, что плечи 14 — 19 первой мостовой схемы 13, так же как и плечи 21-24 второй мостовой схемы 20, выполнены из стабильных резисторов. Размер же напряжения тестового сигнала первой и второй мостовых измерительных схем 13, 20 выбирается расчетным или экспериментальным путем при проектировании конкретного устройства. Аналогичным образом тестовый

55 сигнал для проверки канала измерения давления усиливается первым усилителем 32, передается через BY 40, усилитель 33, преобразуется АЦП 41 в цифровой код и отображается на цифровом индикаторе 42, т.е. работа блока измерения температуры 31 аналогична работе блока измерения давления 43. Длительность и последовательность импульсов, поступаемых с блока управления 25, также выбираются при проектировании конкретных устройств, исходя из эргономических требований съема оператором информации, динамики изменений температуры и давления на реальном объекте, времени сохранения информации на ЗУ 34, 46 (в данном случае на конденсаторах 35, 47) быстродействия АЦП 41, 53 и т.п. Далее циклы измерения давления и температуры и присущая им проверка каналов измерения этих величин повторяются.

Величина коррекции дополнительных погрешностей этих взаимосвязанных величин позволит также повысить точность измерения давления и температуры и использовать в качестве датчика полупроводниковые элементы, для которых характерна высокая степень чувствительности к разнообразным неэлектрическим величинам, что, в свою очередь, препятствовало широкому их использованию для проведения однофункциональных и многофункциональных измерений. При этом материально затраты на изготовление датчиков уменьшаются. В качестве таких чувствительных элементов могут быть использованы не только стабилитроны, но и другие полупроводниковые элементы, например диоды, поли- и монокристаллы германия, кремния, арсенида галия и т.п. Все это расширяет функциональные воэможности устройства.

Введение по каждому каналу измерения (в перерыве между измерениями) операции проверки их метрологических характеристик снизит случайные составляющие погрешностей измерения, повысит достоверность измерений.

Малые габариты датчика позволят снимать информацию о двух величинах в объекте, размеры которого задаются размерами такого датчика, что представляет интерес как в решении чисто научно-исследовательских задач, так и при решении многих производственных задач. Единая технология производства устройства позволит создать миниатюрное средство измерения, которое может быть использовано на объектах, где к устанавливаемой аппаратуре предъявляются прежде всего требования обеспечения минимальных веса и габарита, а также повышенной надежности.

1812462

9

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я выводы рабочего стабилитрона соединены с . 1. Устройство для измерения давления соответствующими входами, коммутатора, и температуры, содержащее рабочий стаби- выходы которого подключены соответственлитрон, компенсирующий стабилитрон, но к источнику питания, к плечу второй мо-. первый вывод которого подключен к плечу 5 стовой измерительной схемы и второму первой мостовой измерительной схемы, выводукомпенсирующегостабилитрона. .. входкоторой соединен с йсточником напря- 2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ежения, а выход подключен к информацион- с я тем, что в нем каждый из блоков измереному входу блока йзмерения. давления и ния давления и температуры содержит два блок измерения температуры, о т л и j à ю- 10 нормирующих усилителя постоянного тока;, щеесятем, что,с целью повышения гоч- . запоминающее устройство, вычислитель ности измерений; оно снабжено коммутато- нов устройство, аналого-цифровой преобраром, второй мостовой измерительной - зователь и цифровой индикатор,— причем в схемойитаймером,.причемпервыйивгорой: каждом из блоков измерения давления и выходы таймера подкла щны сеответствей- 18 температуры информационный вход соот- . но к первому и второму ynpàâëâþùèì вхо-: ветствующего блока соединен с входом пер:дам блока измерения давления, третий и . вого нормирующего .усилителя. выход четвертый выходы таймера подключены со- которого подключен к первому входу вычиюответственно к первому и второму управля- лительного устройства, выход которого че. ййцим.:.входам блока . измерения 20 рез запоминающее устройство связан с темпвратуры;.пятый выход таймера подклю-;:: корректирующим выходом соответствуючеи к управляющему входу коммутатора,:. щего блока, первый управляющий вход ко-. коррвктйрующий: ацход.блока измерения торого соединен с установоянйм входом температуры соединен с третьим управляю-: ", аналого-цифрового преобразователя,- втащим входом блока измерения давлейия, 28 рой управляющий вход — с уйравляющим корректирубщий выход: которого подклю- входом запомийающего устройства, третий чен к третьему управляащему входу блока управляющий вход —: с вторым входом выизмерения темпе }агуры, ийформационный : . числительного: усгройства, выход которого вход которогб соединен с выходом второй через второй.нормирующий усилитель и мостовой измерительной схемы, вход кото-. 30 аналого-цифровой преобразователь связан рого подключен к :источнику напряжения,,: с цифровым индикатором.

1812462

Редактор

Заказ И71 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1

I

I

I !

Составитель А.Алейников

Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь