Способ измерения давления и калибровки на основе тензомостового интегрального преобразователя давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения давления на основе тензомостового интегрального преобразователя давления в широком диапазоне рабочих температур. Предложен способ измерения давления и калибровки, в котором калибровку аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей проводят при непрерывном измерении напряжений с диагоналей тензомоста отдельно для минимального и максимального значения давления при изменении температуры от минимальной до максимальной рабочей температуры и обратно, а нелинейность преобразователя от давления оценивают при изменении давления в НУ и крайних точках рабочих температур. Давление вычисляют по коэффициентам, рассчитанным при калибровке, путем последовательной компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также нелинейности преобразователя от давления. Технический результат - повышение точности измерений за счет компенсации аддитивной, мультипликативной погрешностей и нелинейности тензомостового интегрального преобразователя давления во всем диапазоне изменения рабочих температур и давления при сокращении времени и трудоемкости калибровки. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерения постоянного или медленно изменяющегося давления газообразных или жидких веществ, а также калибровки устройств измерения давления, в частности к способам измерения давления и калибровки на основе тензомостового интегрального преобразователя давления и может быть использовано в областях народного хозяйства и производствах, где требуется прецизионное измерения давления в широком диапазоне рабочих температур.

Известен интегральный преобразователь давления, который выполнен в виде тензорезистров различной проводимости на монокристаллической кремниевой пластине, объединенных в мост Уитстона [1]. С противоположной стороны монокристаллической кремниевой пластины под тензорезисторами выполнены углубления в виде мембраны. При измерении давления на мост подают питание и измеряют напряжение с измерительной диагонали моста преобразователя, которое пропорционально поданному давлению.

Недостатками преобразователя являются температурная зависимость выходного напряжения с измерительной диагонали моста и нелинейность от измеряемого давления.

Известен способ температурной настройки тензорезисторного датчика давления с мостовой измерительной цепью [2]. Способ заключается в установке компенсационных терморезистров на мембране кремниевой пластины дополнительно с тензорезистрами и включении их в мостовую схему тензорезистров. Подбор номиналов терморезисторов позволяет компенсировать аддитивную и мультипликативную погрешности датчика в области рабочих температур.

Недостатками способа являются сложная техническая реализация и непригодность для готовых тензомостовых преобразователей давления.

Известен способ и цифровое устройство измерения давления на основе интегрального преобразователя давления [3]. В этом способе на преобразователь подают постоянное напряжение, напряжение измерительной диагонали тензомоста преобразуют в частотный сигнал с аналоговой компенсацией смещения нуля и коэффициента чувствительности датчика, а также температурной погрешности датчика, затем частотный сигнал с помощью микропроцессора преобразуют в RF сигнал.

Недостатком аналога является аналоговый способ компенсации погрешностей датчика, а также отсутствие компенсации нелинейности датчика.

Известен также способ и устройство измерения давления, содержащее источник напряжения, тензомост, образцовый резистор, двухканальный АЦП, датчик температуры и микроконтроллер [4]. Для вычисления давления используется двухфакторная полиноминальная модель второй степени зависимости давления от напряжения с измерительной диагонали тензомоста и данных температурного датчика. Коэффициенты модели рассчитываются по результатам калибровки при минимальной, номинальной и максимальной температурах для трех значений давления - минимальном, среднем и максимальном.

Недостатком способа является использование отдельного датчика температуры, а также двухфакторной модели зависимости давления от измеренных напряжений второй степени, которая не обеспечивает требуемой для прецизионных измерений точности.

В качестве прототипа выбран способ измерения давления, калибровки и датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы [5].

Способ измерения давления и калибровки на основе нано- и микроэлектромеханической системы заключается в том, что на мост подают постоянный ток питания, напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста измеряют в режиме калибровки и в режиме измерения давления, в режиме калибровки осуществляют регистрацию значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста в заданных точках установленного давления и температуры, по которым рассчитывают калибровочные коэффициенты, а в режиме измерения давление вычисляют по измеренным значениям напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста и калибровочным коэффициентам. При этом расчет давления выполняют путем бигармонической сплайн интерполяции измеренных значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста и матрицы калибровочных коэффициентов.

Недостатками известного способа являются:

а) нелинейность зависимости напряжений на измерительной и питающей диагоналях моста от температуры;

б) большое количество калибровочных данных, собранных в матрицу для бигармонической сплайн-интерполяции измеренных значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста, что требует для их расчета большого числа точек калибровки при различном сочетании значений давления и температуры и соответственно больших затрат времени и труда на проведение калибровки; в) сложный алгоритм вычисления давления путем бигармонической сплайн-интерполяции на основе матрицы калибровочных коэффициентов и измеренных значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста.

Задачей предлагаемого технического решения является прецизионное измерение давления с помощью тензомостового интегрального преобразователя давления во всем диапазоне рабочих температур и давления, сокращение времени и трудоемкости калибровки, а также упрощение вычислительной схемы расчета давления.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе измерения давления и калибровки на основе тензомостового интегрального преобразователя давления, в котором на мост подают ток питания, измеряют напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста при установленном давлении и температуре в режиме калибровки или в режиме измерения давления, причем в режиме калибровки осуществляют регистрацию напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста, вычисляют калибровочные коэффициенты, а в режиме измерения давления осуществляют вычисление давления по текущим напряжениям на питающей и измерительной диагоналях тензомоста с использованием калибровочных коэффициентов, рассчитанных в режиме калибровки, предусмотрены следующие отличия, питание на тензомост подают от источника тока с обратной температурной зависимостью, в режиме калибровки напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста регистрируют непрерывно с заданным временным интервалом в течение одного термоцикла изменения температуры от нормальных условий (НУ) до максимальной рабочей и минимальной рабочей температур и обратно при постоянном давлении отдельно для минимального и максимального значений давления и изменении давления только в НУ и крайних точках термоцикла, на основании зарегистрированных значений напряжений при минимальном и максимальном значении давления вычисляют калибровочные коэффициенты аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, на основании зарегистрированных значений напряжений при изменении давления в НУ и крайних точках термоцикла вычисляют калибровочные коэффициенты нелинейности преобразователя от давления, в режиме измерения давление вычисляют путем последовательной компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также нелинейности преобразователя от давления.

Между совокупностью существенных признаков заявленного изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:

- питание тензомоста от источника тока с обратной температурной зависимостью обеспечивает линейную характеристику зависимости напряжения на питающей диагонали моста от температуры,

- использование последовательной компенсации аддитивной, мультипликативной температурной погрешностей и погрешности нелинейности преобразователя давления упрощает схему вычисления давления,

- проведение калибровки в одном термоцикле при непрерывной регистрации выходных напряжений тензомоста и постоянном давлении отдельно для минимального и максимального значений давления и изменении давления только в НУ и крайних точках рабочего диапазона температур сокращает время и трудоемкость калибровки, а также повышает точность расчета калибровочных коэффициентов компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей за счет большого числа калибровочных данных, полученных в течение всего термоцикла изменения температуры от НУ до максимальной рабочей и минимальной рабочей температур и обратно при минимальном и максимальном давлении.

Техническую сущность предложенного технического решения поясняют фиг. 1, где приведена схема интегрального преобразователя давления, фиг. 2, где приведена блок-схема вычисления давления, фиг. 3, где приведен пример термоцикла калибровки, и фиг. 4, где приведен пример схемы устройства.

На фиг. 1 приведена схема интегрального преобразователя давления, которая содержит источник тока 1 с обратной зависимостью тока от температуры, выполненного на транзисторе, и тензомост 2. С диагонали питания тензомоста 2 снимается напряжение VT, которое зависит от изменения сопротивления моста при изменении температуры, а с противоположной - измерительной диагонали снимается напряжение разбаланса моста VD, которое зависит от изменения сопротивления тензорезистров под воздействием давления.

Зависимость сопротивления тензомоста 2 от температуры описывается параболой

где α, β - корни уравнения параболы, KR - коэффициент.

Источника тока 1 имеет обратную зависимость тока от температуры с коэффициентами K1 и α

поэтому напряжение, снимаемое с диагонали питания тензомоста, линейно зависит от температуры

На фиг. 2 приведена блок-схема вычисления давления, которая включает в себя блок 4, в котором осуществляется измерение напряжений с диагоналей тензомоста, блок 5, в котором осуществляется компенсация ассоциативной температурной погрешности, блок 6, в котором осуществляется компенсация мультипликативной температурной погрешности, блок 7, в котором осуществляется вычисление давления с компенсацией нелинейности преобразователя, и блок 8, в котором осуществляется выдача выходного сигнала (данных).

В схеме предусмотрен режим калибровки (блок 9), когда цифровой код напряжений тензопреобразователя передается в ПК для регистрации и дальнейшей обработки (блок 10).

Способ измерения давления основан на вычислении давления по измеренным напряжениям с диагоналей тензомоста путем последовательной компенсации сперва температурной погрешности измерения, которая имеет аддитивную и мультипликативную составляющие, и затем компенсации нелинейности преобразователя на основании коэффициентов, полученных при калибровке.

Аддитивная составляющая температурной погрешности представляет собой температурный дрейф нуля выходного напряжения преобразователя VD0(VT) и оценивается при калибровке при минимальном давлении во всем диапазоне рабочих температур и непрерывном измерении напряжений с диагоналей питания и измерения тензомоста.

Дрейф нуля аппроксимируется полиномом 3 степени:

где A0…A3 - коэффициенты полинома дрейфа нуля,

VT, VP0 - напряжения с диагоналей питания и измерения тензомоста.

Мультипликативная составляющая температурной погрешности преобразователя представляет собой температурный дрейф чувствительности K(VT) и оценивается при калибровке при максимальном давлении во всем диапазоне рабочих температур и непрерывном измерении напряжений с диагоналей питания и измерения тензомоста по формуле

где VP1 - напряжение на измерительной диагонали тензомоста,

VP0(VT) - дрейф нуля,

Pmin и Pmax - минимальное и максимальное значения давления.

Дрейф чувствительности аппроксимируется полиномом 3 степени:

где B0…B3 - коэффициенты полинома дрейфа чувствительности.

Компенсация аддитивной и мультипликативной температурной погрешности выполняется по формуле вычисления приведенного напряжения разбаланса тензомоста, которое зависит от давления и меняется от 0 до 1 при изменении давления от минимального до максимального во всем диапазоне изменения температур:

где VP - напряжение разбаланса тензомоста при давлении Р,

VP0(VT) - дрейф нуля,

K(VT) - дрейф коэффициента чувствительности.

Кроме аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности у интегрального преобразователя давления имеется третья составляющая погрешности - это нелинейность коэффициента чувствительности преобразователя от давления.

Зависимость сопротивления тензорезистора R от давления Р имеет квадратичную зависимость

соответственно приведенное напряжение также имеет квадратичную зависимость

где C - коэффициент.

Давление вычисляется по обратной формуле в виде полинома второй степени

Коэффициент k вычисляется по данным калибровки в НУ и минимальной и максимальной рабочей температуре в нескольких точках установленного давления.

Таким образом для вычисления давления достаточно девяти калибровочных коэффициентов А0…A3, B0…B3 и k.

На фиг. 3 приведен пример термоцикла калибровки.

При калибровке непрерывно регистрируют напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста с заданным временным интервалом при изменении температуры от НУ до максимальной рабочей и минимальной рабочей температур и обратно при постоянном давлении отдельно для минимального и максимального значения давления (дуги 1, 3 и 5), а также при изменении давления в НУ и крайних точках термоцикла для заданных значений давления (дуги 2, 4, 6). На основании зарегистрированных данных вычисляют калибровочные коэффициенты компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также погрешности нелинейности преобразователя.

Таким образом, для калибровки достаточно провести один термоцикл в рабочем диапазоне температур для минимального и максимального давлений и снятия характеристик нелинейности преобразователя только в НУ и крайних точках термоцикла при изменении давления для заданных значений. За счет непрерывной регистрации напряжений тензомоста в течение всего термоцикла от минимальной до максимальной рабочей температуры получается большой набор калибровочных данных, по которым коэффициенты полиномов компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей вычисляются с высокой точностью.

На фиг. 4 приведена схема устройства измерения давления для осуществления предлагаемого способа, где 1 - источник тока и 2 - тензомост, объединенные в интегральном преобразователе давления, 11 - АЦП, 12 - вычислительное устройство, 13 - ПЗУ, 14 и 15 - цифровой и аналоговый интерфейсы.

Источник тока 1 содержит транзистор, который имеет обратную зависимость тока от температуры. Источник тока 1 встроен в интегральный преобразователь давления, который содержит тензомост 2 и осуществляет первичное преобразование измеряемого давления и температуры внешней среды в изменение сопротивления. Изменение сопротивления тензорезистров вызывает изменение напряжений VT и VP на диагоналях питания и измерения тензомоста, зависящих соответственно от температуры и давления. АЦП 11 преобразует аналоговые сигналы напряжений с тензомоста в цифровой код. Вычислительное устройство 12 осуществляет прием кодов и вычисление давления по калибровочным коэффициентам, рассчитанным при калибровке устройства. Цифровой 14 и аналоговый 15 интерфейсы используются для обмена данными по цифровому каналу и выдачи выходного аналогового сигнала давления в виде напряжения или тока.

Ожидаемый технико-экономический эффект от предлагаемого решения заключается в обеспечении прецизионного измерения давления на основе интегрального преобразователя давления во всем диапазоне рабочих температур и давления при сокращении времени и трудоемкости его калибровки, а также снижении себестоимости устройства измерения давления.

Источники информации

1. Патент РФ 2362132.

2. Патент РФ 2259537.

3. Патент США 7,194,910.

4. Патент РФ 2304762.

5. Патент РФ 2484435 - прототип.

Способ измерения давления и калибровки на основе тензомостового преобразователя давления, заключающийся в том, что на мост подают ток питания, измеряют напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста при установленном давлении и температуре в режиме калибровки или в режиме измерения давления, причем в режиме калибровки осуществляют регистрацию напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста, вычисляют калибровочные коэффициенты, а в режиме измерения давления осуществляют вычисление давления по текущим напряжениям на питающей и измерительной диагоналях тензомоста с использованием калибровочных коэффициентов, рассчитанных в режиме калибровки, отличающийся тем, что питание на тензомост подают от источника тока с обратной температурной зависимостью, в режиме калибровки напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста регистрируют непрерывно с заданным временным интервалом в течение одного термоцикла изменения температуры от нормальных условий (НУ) до максимальной рабочей и минимальной рабочей температур и обратно при постоянном давлении отдельно для минимального и максимального значений давления и изменении давления только в НУ и крайних точках термоцикла, на основании зарегистрированных значений напряжений при минимальном и максимальном значении давления вычисляют калибровочные коэффициенты аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, на основании зарегистрированных значений напряжений при изменении давления в НУ и крайних точках термоцикла вычисляют калибровочные коэффициенты нелинейности преобразователя от давления, в режиме измерения давление вычисляют путем последовательной компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей, а также нелинейности преобразователя от давления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценивания температуры окружающей среды вокруг дисплейного устройства. Предложены дисплейное устройство, которое обеспечивает возможность точного оценивания температуры окружающей среды вокруг дисплейного устройства, носитель записи и способ оценивания температуры окружающей среды.

Изобретение относится к космической навигации и может быть использовано для оперативного точного определения ориентации космического аппарата относительно инерциальной системы координат.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры объекта. Представлены варианты системы инфракрасного (ИК) измерения температуры.

Изобретение относится к корпусу, в частности, из пластмассы для приема по меньшей мере одного технического функционального блока. Технический результат - создание возможности выравнивания колебаний давления в отношении внутреннего пространства корпуса относительно окружающей среды без существенных конструктивных изменений и без дополнительных конструктивных элементов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к термокомпенсирующим устройствам многоразового использования, позволяющим гасить вибрационные воздействия на работающем изделии и имеющим определенную жесткость на неработающем изделии.

Изобретение относится к средствам защиты внутренних объемов, включающих оптические поверхности, и может быть использовано для защиты оптических поверхностей от образования инея.

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано в устройствах термокомпенсации цилиндрических оболочек. .

Изобретение относится к радиоэлектронной аппаратуре и является ее составной системой. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления, массы, деформаций и напряжений. Устройство содержит тензорезисторы, которые размещены в контролируемых точках объекта и соединены с внешними конденсаторами в фазирующую RC-цепочку, образуя совместно с усилителем генератор гармонических колебаний, соединенный через преобразователь частота-код и микроконтроллер, программа которого снабжена градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой массы или деформации, с цифровым индикатором.

Изобретение относится к оборудованию для гранулирования предварительно измельченных материалов и может быть использовано для определения напряженного состояния в клиновидном рабочем пространстве вальцово-матричных пресс-грануляторов.

Способ настройки термоустойчивого датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы относится к области измерительной техники и предназначен для измерения давления при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса.

Датчик давления с нормализованным или цифровым выходом содержит корпус с установленными в нем чувствительным элементом давления (ЧЭД) с кристаллом интегральной микросхемы преобразователя давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, защитную крышку ЧЭД и ИС, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и по меньшей мере один канал в корпусе для подвода давления среды.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах измерения, контроля и управления. Датчик абсолютного давления содержит корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу, выполненному в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием, на плоской поверхности профилированного монокристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур.

Изобретение относится к области измерения давления. Сущность изобретения заключается в том, что манометр абсолютного давления содержит электронные силоизмерительные и силокомпенсирующие устройства, поршневую пару, образованную структурно-сопряженными магнетиками, разъединяющую объемы вакуумной (сравнительной) камеры от объема измерительной камеры, пневмолинии которых могут селективно подключаться к пневмомагистралям технических средств создания вакуума, давления или нормализованного воздуха атмосферы путем программного переключения э/м клапанов распределительного коммутатора, при этом супермагнетик («магнитная жидкость) в ССМ покрыт тонким слоем галинстана - жидкого металлического сплава галлия, индия и олова, магнитопровод ССМ выполнен из магнитострикционного материала (МСМ) или, если он таковым не являлся, дополнен включением МСМ в его структуру, используется как ультразвуковой магнитостриктор путем размещения на нем катушки возбуждения, соединенной с ВЧ генератором гармонических колебаний, оболочка вакуумной камеры, при большом объеме, покрыта с внешней стороны резистивной проводящей пленкой, кратковременно подключаемой в режиме создания в ней вакуума к источнику электропитания; при малых объемах оболочки она подвергается кратковременному прогреву внешними источниками интенсивного оптического излучения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения давления на основе тензомостового интегрального преобразователя давления в широком диапазоне рабочих температур. Предложен способ измерения давления и калибровки, в котором калибровку аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей проводят при непрерывном измерении напряжений с диагоналей тензомоста отдельно для минимального и максимального значения давления при изменении температуры от минимальной до максимальной рабочей температуры и обратно, а нелинейность преобразователя от давления оценивают при изменении давления в НУ и крайних точках рабочих температур. Давление вычисляют по коэффициентам, рассчитанным при калибровке, путем последовательной компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также нелинейности преобразователя от давления. Технический результат - повышение точности измерений за счет компенсации аддитивной, мультипликативной погрешностей и нелинейности тензомостового интегрального преобразователя давления во всем диапазоне изменения рабочих температур и давления при сокращении времени и трудоемкости калибровки. 4 ил.

Наверх