Способ и устройство измерения давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред. Способ предусматривает использование сенсора давления на основе тензорезистивного моста и датчика температуры и заключается в регистрации выходных сигналов моста и датчика температуры, определении по этим сигналам давления среды, формировании сигнала, соответствующего общему сопротивлению тензорезистивного моста, определении по этому сигналу и выходным сигналам моста и датчика температуры функции диагностики, по отклонению которой от номинального значения судят о погрешности измерения давления. Устройство, осуществляющее предложенный способ, состоит из источника напряжения, тензорезистивного моста и образцового резистора. Выходы измерительной диагонали моста соединены с первыми дифференциальными входами АЦП, вторые дифференциальные входы которого соединены с входами питания моста. Выводы резистора соединены с дифференциальными входами опорного напряжения АЦП. Выводы цифрового интерфейса АЦП соединены с первыми выводами микроконтроллера, вторые выводы которого соединены с выводами датчика температуры тензорезистивного моста. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред.

Известен способ измерения давления, заключающийся в размещении сенсора давления на основе тензорезистивного моста в исследуемую среду, регистрации выходного сигнала моста и определении по этому сигналу давления среды (см. «Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа». Выпуск 1-М, ДОДЭКА, 1996 г., - с.278-280). Устройство, применяемое фирмой ANALOG DEVICE, состоит из источника напряжения, тензорезистивного моста, "сигма-дельта" АЦП и микроконтроллера. Недостатком данного способа и устройства является отсутствие коррекции дополнительной температурной погрешности измерения давления, вызываемой изменением параметров тензорезистивного моста от изменения его температуры.

Известно устройство для измерения давления (патент РФ №2196970, МПК 7 G01L 9/04, заявл. 21.02.2001, опубл. 20.01.2003). Способ измерения давления заключается в размещении сенсора давления на основе тензорезистивного моста и датчика температуры в исследуемую среду, корректировке выходного сигнала моста, регистрации откорректированного сигнала моста и выходного сигнала датчика температуры, определении по этим сигналам давления среды. Устройство состоит из источника напряжения, тензорезистивного моста, датчика температуры тензорезистивного моста, температурного корректора, АЦП, микропроцессора и постоянного запоминающего устройства. Недостатком данного способа и устройства является наличие дополнительной операции корректировки выходного сигнала моста и соответствующего устройства (температурного корректора), что приводит к дополнительной погрешности измерения давления и излишнему усложнению устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является преобразователь давления в электрический сигнал (свидетельство на полезную модель РФ №19324, МПК 7 G01L 9/04, заявл. 03.01.2001, опубл. 20.08.2001). Способ измерения давления заключается в размещении сенсора давления на основе тензорезистивного моста в исследуемую среду, регистрации выходного сигнала моста, формировании сигнала, на величину которого влияет изменение общего сопротивления тензорезистивного моста вследствие изменения его температуры, регистрации этого сигнала и определении по этим сигналам давления среды. Устройство состоит из источника напряжения, тензорезистивного моста, образцового резистора, двухканального АЦП, процессора и постоянного запоминающего устройства. Выходы измерительной диагонали тензорезистивного моста и выводы образцового резистора подключены к первым и вторым дифференциальным входам АЦП.

Недостатком данных способов и устройств является отсутствие текущей диагностики параметров тензорезистивного моста, которые ухудшаются от времени, что приводит к увеличению погрешности измерения давления. Данная диагностика особенно необходима для опасных технологических производств (например, для атомных станций), где выход из строя датчика в неподходящий момент может привести к большим финансовым затратам и угрозе безопасности производства. Наличие текущей диагностики погрешности измерения давления позволяет прогнозировать выход датчика из строя и своевременно его заменить.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет введения дополнительной функции текущей диагностики погрешности измерения давления среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения давления, заключающемся в размещении сенсора давления на основе тензорезистивного моста в исследуемую среду, регистрации выходного сигнала моста, регистрации сигнала, соответствующего температуре тензорезистивного моста, определении по этим сигналам давления среды, согласно изобретению размещают на сенсоре давления датчик температуры тензорезистивного моста, формируют сигнал, соответствующий общему сопротивлению тензорезистивного моста, по этому сигналу и выходным сигналам моста и датчика температуры определяют функцию диагностики, по отклонению которой от номинального значения судят о погрешности измерения давления.

В устройство для измерения давления, содержащее источник напряжения, тензорезистивный мост, образцовый резистор, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер, тензорезистивный мост, последовательно через образцовый резистор подключенный к источнику напряжения, при этом выходы измерительной диагонали тензорезистивного моста подключены к первым дифференциальным входам АЦП, выводы цифрового интерфейса АЦП подключены к первым выводам микроконтроллера, согласно изобретению введен датчик температуры тензорезистивного моста, выводы датчика температуры соединены со вторыми выводами микроконтроллера, выводы питания тензорезистивного моста дополнительно подключены ко вторым дифференциальным входам АЦП, выводы образцового резистора дополнительно подключены к дифференциальным входам опорного напряжения АЦП.

Введение в способ измерения давления операций измерения общего сопротивления тензорезистивного моста и вычисления функции диагностики, как функции только от изменения общего сопротивления тензорезистивного моста от времени и не зависящей от влияния на общее сопротивление тензорезистивного моста его температуры и измеряемого давления, позволяет диагностировать по отклонению функции диагностики от номинального значения изменение погрешности измерения давления и производить своевременную замену данного датчика давления.

Заявляемое изобретение обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как введение в способ измерения давления дополнительных операций измерения общего сопротивления тензорезистивного моста, измерения его температуры, вычисления функции диагностики. В устройство для осуществления способа дополнительно введен датчик температуры и изменены связи между элементами.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими получение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый способ измерения давления и устройство для его осуществления может найти широкое применение в измерительной технике и поэтому соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение иллюстрируется функциональной схемой устройства, представленной на чертеже.

Устройство состоит из источника напряжения 1, выходы которого подключены к последовательно соединенным тензорезистивному мосту 2 и образцовому резистору 3. Выходы измерительной диагонали моста соединены с первыми дифференциальными входами АЦП 4, вторые дифференциальные входы которого соединены с входами питания моста 2. Выводы резистора 3 соединены с дифференциальными входами опорного напряжения АЦП 4. Выводы цифрового интерфейса АЦП 4 соединены с первыми выводами микроконтроллера 5, вторые выводы которого соединены с выводами датчика температуры 6 тензорезистивного моста 2.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на тензорезистивный мост 2, изменяя сопротивление тензорезисторов. Регистрация выходного сигнала тензорезистивного моста заключается в преобразовании изменяющейся части сопротивления тенорезисторов в код и запоминании этого кода в микроконтроллере 5.

Напряжение U1 разбаланса моста 2, пропорциональное измеряемому давлению, преобразуют с помощью АЦП 4 в код Nr. Работа АЦП 4 описывается следующей формулой:

где n - разрядность АЦП 4;

Uref - опорное напряжение, подающееся на соответствующие входы АЦП 4.

Так как U1 можно выразить из следующей формулы:

где i - ток, протекающий по последовательной цепи: тензорезистивный мост 2 и резистор 3;

Δr - обобщенный разбаланс сопротивлений моста 2,

а Uref - из формулы

где R0 - сопротивление образцового резистора 3,

то выходной код АЦП 4 будет равен

Полученный в результате преобразования код Nr передают в микроконтроллер 5.

Формирование сигнала, соответствующего общему сопротивлению тензорезистивного моста, заключается в преобразовании этого сопротивления в код с помощью второго канала АЦП 4 и запоминании этого кода в микроконтроллере 5.

Выходной код NR АЦП, полученный от преобразования общего сопротивления Rm моста 2, будет аналогично описываться формулой

Полученный в результате преобразования код NR передают в микроконтроллер 5.

Определение давления среды производят путем вычисления микроконтроллером 5 давления Np, например, по формуле

где а0...а9 - коэффициенты полинома, характеризующие индивидуальные параметры датчика;

Nt - код температуры тензорезистивного моста 2, полученный с помощью датчика температуры 6.

Коэффициенты полинома рассчитываются на предприятии-изготовителе следующим образом.

Устройство помещается в термокамеру, где устанавливается максимальная температура t1, при которой устройство должно работать. Давление создается с помощью высокоточного задатчика давления, на котором по очереди выставляются три значения (минимальное р1, среднее р2 и максимальное р3 диапазона изменения измеряемого давления). При этом выходные коды Nr1 и NR1, Nr2 и NR2, Nr3 и NR3 и Nt1 регистрируются. В термокамере устанавливается температура нормальных условий t2. С помощью задатчика давления задают по очереди четыре значения (минимальное р4, два средних р5 и р6 и максимальное р7 диапазона изменения измеряемого давления). При этом выходные коды Nr4 и NR4, Nr5 и NR5, Nr6 и NR6, Nr7 и NR7 и Nt2 регистрируются.

В термокамере устанавливается минимальная температура t3, при которой устройство должно работать. С помощью задатчика давления задают по очереди три значения (минимальное р8, среднее р9 и максимальное р10 диапазона изменения измеряемого давления). При этом выходные коды Nr8 и NR8, Nr9 и NR9, N10 и NR10 и Nt3 регистрируются. Коэффициенты полинома а0...а9 находятся из решения системы уравнений:

Рассчитанные коэффициенты а0...а9 записываются в память данных микроконтроллера 5.

Функцию диагностики F вычисляют в микроконтроллере 5, например, по следующей формуле

Коэффициенты полинома k0...k9 находятся из решения системы уравнений:

где Fn - номинальное значение функции диагностики. Рассчитанные коэффициенты k0...k9 записываются в память данных микроконтроллера 5.

На функцию диагностики F влияет только изменение общего сопротивления тензорезистивного моста от времени и не влияет изменение температуры моста и измеряемого давления. Отклонение функции диагностики от номинального значения показывает происходящие изменения в характеристике тензорезистивного моста от времени и по величине отклонения можно судить об изменении погрешности измерения давления.

1. Способ измерения давления, заключающийся в размещении сенсора давления на основе тензорезистивного моста в исследуемую среду, регистрации выходного сигнала тензорезистивного моста, регистрации сигнала, соответствующего температуре тензорезистивного моста, определении по этим сигналам давления среды, отличающийся тем, что размещают на сенсоре давления датчик температуры тензорезистивного моста, формируют сигнал, соответствующий общему сопротивлению тензорезистивного моста, по этому сигналу и выходным сигналам тензорезистивного моста и датчика температуры определяют функцию диагностики, по отклонению которой от номинального значения судят о погрешности измерения давления.

2. Устройство измерения давления, содержащее источник напряжения, тензорезистивный мост, образцовый резистор, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, тензорезистивный мост, последовательно через образцовый резистор подключенный к источнику напряжения, при этом выходы измерительной диагонали тензорезистивного моста подключены к первым дифференциальным входам аналого-цифрового преобразователя, выводы цифрового интерфейса аналого-цифрового преобразователя подключены к первым выводам микроконтроллера, отличающееся тем, что в устройство введен датчик температуры тензорезистивного моста, выводы датчика температуры соединены со вторыми выводами микроконтроллера, выводы питания тензорезистивного моста дополнительно подключены ко вторым дифференциальным входам аналого-цифрового преобразователя, выводы образцового резистора дополнительно подключены к дифференциальным входам опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя.