Способ измерения давления жидкости или газа и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для использования в океанологии. Способ измерения давления жидкости или газа приборами с мембранами и тензорезисторами заключается в том, что на одной или нескольких мембранах размещают (m+1)(n+1)-1 отдельных тензорезисторов, имеющих существенные различия по чувствительности β к давлению Р и по чувствительности α к температуре θ, математической моделью которых является произведение полиномов степени m для давления и степени n для температуры, формируют систему линейных алгебраических уравнений из функций преобразования тензорезисторов, измеряют относительные изменения сопротивлений тензорезисторов и вычисляют измеряемое давление. В устройстве для измерения давления по заявленному способу используют генератор постоянного тока, содержащий транзистор с токозадающим резистором и первый дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом делителя постоянного напряжения, второй вход соединен с эмиттером транзистора, а выход подан на базу транзистора, коллектор транзистора через k токовых ключей и тензорезисторы подан на вход источника напряжения постоянного тока, выходы напряжения с тензорезисторов через к потенциальных ключей поданы на первый вход второго дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения постоянного тока, а выход подан на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом информативного сигнала. Технический результат - уменьшение погрешности нелинейности тензорезисторов и влияния температуры. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для использования в океанологии и может быть использовано и в других областях, где требуются высокоточные долговечные недорогие измерители давления жидкости или газа. Известны широко используемые в океанологии тензорезистивные измерители гидростатического давления, например, [1. Левашов Д.Е. Техника экспедиционных исследований: Инструментальные методы и технические средства оценки промыслово-значимых факторов среды. М.: Изд-во ВНИРО, 2003. 400 с. Датчики и измерители гидростатического давления, С. 51-67], [2. Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 272 с.]

Датчики в этих известных измерителях содержат по четыре гензорезистора (металлических или полупроводниковых), размещенных на чувствительных к давлению мембранах и преобразующих механическое перемещение в электрическое сопротивление. Тензорезисторы обычно включены в плечи четырехплечего моста, с разными знаками чувствительности в смежных плечах для получения большей амплитуды выходного сигнала (постоянного или переменного тока) с диагонали моста. При этом используют для их изготовления современную интегральную технологию и стремятся сделать эти тензорезисторы идентичными и, например, [3. Ваганов В.И. Интегральное термопреобразование. М.: Энергоатомиздат, 1983. 136 с].

С использованием интегральной технологии «кремний па сапфире» в отечественных промышленных измерительных преобразователях давления типа «Сапфир-22» достигнуты следующие нормируемые метрологические характеристики [1]: погрешность линейности по абсолютному значению не превышает ±0,3% диапазона выходного сигнала; случайная составляющая погрешности не выше ±0.1%; температурная погрешность не выше ±0,5-1% на 10°С. Однако таких точностных характеристик недостаточно для использования этих и других массовых тензометрических датчиков в высокоточных СТД-зондах и обычно для каждого датчика проводят индивидуальную градуировку, например, [4. Забурдаев В.И.. Мишуров В.Ж., Кузьмин К.А., Алексеев А.П. Результаты исследования индивидуальных метрологических характеристик датчиков давления типа "Сапфир". Сб. науч. тр. «Системы контроля окружающей среды» / Средства и информационные технологии // МГИ НАНУ. Севастополь. 2006. С.60-69].

Индивидуальная градуировка тензорезисторных датчиков по давлению и температуре позволяет примерно в 2-3 раза улучшить точность (до ±0,05%), но все равно не обеспечивает точности порядка ±0,01%, которая необходима в современных океанологических зондах.

Достаточно подробный точностной анализ измерителя гидростатического давления с тензометрическими датчиками, линейными по чувствительности к давлению и температуре проведен в [4] для измерителей с датчиками типа «Сапфир-22». В нем использованы 4 тензодатчика, включенных по мостовой схеме. Очевидно, что в борьбе за точность прежде всего необходимо избавиться от погрешностей нелинейности по давлению и температуре. Однако использование четырехплечего моста для включения 4-х тензорезисторов существенно увеличивает нелинейность сквозного канала (в данном случае выходного напряжения моста по отношению к давлению), поскольку при выработке выходного сигнала моста, имеет место перемножение характеристик двух датчиков, что даже при их линейности и неидентичности дает составляющие сигнала с квадратичной нелинейностью.

Для примера рассмотрим четырехплечий мост из линейных тензорезисторов в порядке против часовой стрелки сверху вниз, сопротивление которых равны

При подаче напряжения на вертикальную диагональ моста для выходного напряжения на горизонтальной диагонали получим

Примем и, подставив выражения (1), получим

Если все тензорезисторы идентичны, то все β_i=β равны и выражение (3) преобразуется в

что соответствует общепринятой модели без учета температурной зависимости.

Однако, имеют место технологические погрешности изготовления тензорезисторов на уровне, хотя бы десятых долей процента и новая неконтролируемая нелинейность будет формироваться также на этом уровне. Следовательно, использование мостовой схемы включения тензоэлементов, введенной ранее для повышения амплитуды выходного сигнала при слабочувствительных металлических тензорезисторах и потерявшей смысл для полупроводниковых тензорезисторов, чувствительность которых на два порядка выше, не целесообразна.

С учетом температурной зависимости сопротивлений тензорезисторов построение индивидуальной градуировочной характеристики становится громоздкой процедурой [4], приводит к необходимости одновременно измерять температуру тензорезисторов [4J или мембраны [5. Патент RU 2145007. Опубл. 10.07.2020. Бюл. №8. Мембранный датчик давления. Авторы Дьячков В.Н., Дьячков Н.В., Бирюнов К.И. и др.].

При этом существенно усложняются устройства, градуировочная характеристика от двух измеряемых величин (давления и температуры), становится полиномом высокой степени (восьмой [4]) и неоднозначной. Что ограничивает возможности повышения точности измерения давления.

Целесообразно использовать схемно-алгоритмические способы повышения точности. Например, [6. Патент RU 2364847 С2. Опубл. 28.08.2009. Бюл. №23. Способ определения давления жидкости или газа. Автор Любимский B.M.]. В этом источнике для измерения двух неизвестных давлений двумя измерителями с известными разными функциями преобразования, но неизвестными «смещениями нуля» (аддитивными составляющими), зависящими от времени и температуры, осуществляют поочередное измерение первого и второе давлений первым и вторым измерителем, формируют систему из двух уравнений разности измерений и ее решением определяют первое и второе измеряемые давления, свободные от неизвестного «смещения нуля». Это предложение не решает задачу измерения гидростатического давления в океанологическом зонде и в более общих случаях измерения давления жидкости или газа. Однако по сути способа, использование нескольких каналов измерения и решения системы уравнений по результатам измерения, оно близко к предлагаемому способу и принимаем его за прототип.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения давления жидкости и газа приборами с тензорезисторными датчиками, упрощение реализации и снижение требований к точности изготовления гензорезисторных датчиков.

Эта цель достигается тем, что измерители гидростатического давления с мембранами выполняют с отдельными тензорезисторными чувствительными преобразователями, имеющими существенные различия по чувствительности β к давлению и по чувствительности α к температуре, математической моделью которых с достаточной точностью аппроксимирующей зависимости сопротивления от давления и температуры является произведение полиномов степени m для давления Р и степени n для температуры, формируют систему линейных алгебраических уравнений из функций преобразования, измеряют сопротивление тензорезистора и давление вычисляют по выражению

где Δ - определи гель системы линейных алгебраических уравнений, коэффициенты i-ой строки расширенной матрицы которой имеют вид

где - определитель системы при замене в матрице определителя Δ столбца на столбец

где - градуировочное сопротивление i-го тензорезистора при начальных давлении и температуре; - измеряемое сопротивление тензорезистора при измеряемом давлении и не измеряемой температуре θ в модели измерителя

Рассмотрим обоснование предложенного способа. Предполагаем, что возможно неточное изготовление полупроводниковых тензорезисторов с разными функциями преобразования, которые с удовлетворительной точностью аппроксимируются моделью из произведения полинома степени m для преобразования давления Р в сопротивление R и полинома степени n для преобразования температуры θ в сопротивление R. В этом случае для резисгорного гензоэлемента можем записать

При этом разные коэффициенты чувствительности по давлению и температуре для разных датчиков задаются технологическим путем с произвольным разбросом [7. Стучебников В.М. Тепзорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире». Измерение, контроль, автоматизация. №4 (44), 1982. С.15-26].

После изготовления производится определение сопротивления R₀ тензорезистора при начальной температуре (например, при минимальной) и нулевом атмосферном давлении. Далее при фиксированной температуре изменением давления идентифицируются т коэффициентов полинома

а при фиксированном давлении идентифицируются n коэффициентов полинома

Таким образом считаем т коэффициентов чувствительности по давлению и n коэффициентов чувствительности по температуре для одного конкретного тензорезистора известными.

Для группы из k тензорезисторов справедливо

где (m+1)(n+1)-1 = k - число тензорезисторов, равное k - числу всех неизвестных в уравнениях (1, 2), из которых интерес представляет одно Р или два Р и θ.

Пример 1 при m = 1 и n = 1, k = 3.

Расширенная матрица системы (11) имеет вид (12)

Решение системы относительно Р

где

Из приведенных выражений видно, что в решение системы уравнений относительно измеряемого давления входят только градуировочные коэффициенты чувствительности к давлению и температуре , а также коэффициенты относительного изменения сопротивлений датчиков , контролируемые только по измеряемым сопротивлениям Все другие величины заданы априорно.

Второе неизвестное значение температуры θ и комбинаторные неизвестные Рθ нет необходимости определять из результатов измерений сопротивлений тензорезисторов и тем более измерять отдельно и вносить какую-либо еще дополнительную коррекцию. Вся необходимая информация для температурной коррекции уже содержится в расширенной матрице системы (12).

Пример 2 m = 2, n = 2, k = 8.

Уравнение модели для i-го тензоэлемента

Строка расширенной матрицы системы (16) имеет вид

Пример 3 Общий случай m = n, n = n, k = (m+1)(n+1) - 1

Модель системы в выражениях (4, 10). Строка в расширенной матрице системы

из которой любым известным способом решения СЛАУ получаются измеренно-вычисленные значения Р по выражению (13).

Таким образом предполагается, что за счет увеличения степеней полиномов в модели тензорезисторов и использования нескольких отдельных различных по чувствительности, не обязательно точных при изготовлении по номиналам коэффициентов чувствительности и начальному сопротивлению, но известных точно из градуировки, погрешности нелинейности и влияния температуры существенно уменьшаются, а конструкция датчика упрощается.

Может быть полезна экспертная оценка потенциальной индивидуальной точности измерителей гидростатического давления, построенных по предлагаемому способу и приведенная в таблице.

Рассмотрим устройства для осуществления предложенного способа.

В общем случае возможно использование стандартных устройств, измеряющих сопротивления тензорезисторов. Однако из выражения (10) следует, что информативным параметром является отношение R_l/R_i0 которое и желательно получить в результате измерения.

Структурная схема предлагаемого устройства для опроса тензорезисторов постоянным током представлена на фиг.1. На фиг.2 представлена структурная схема варианта устройства для опроса датчиков на знакопеременном токе.

В состав устройства входит блок 1 тензорезисторов . размещенных на воспринимающей давление мембране и, подключенных к выходу напряжения блока 2, блок 3 токовых ключей , служащий для подачи на тензорезисторы постоянного тока от выхода блока 4 генератора тока, выполненного на транзисторе 5 с токозадающим образцовым резистором 6 номиналом R₀ в эмиттере и дифференциальном усилителе 7. первый вход которого соединен с подключенным к выходу источника напряжения цепочечным делителем напряжения па резисторах 8 и 9, номиналом r₁ и r₂, второй вход усилителя соединен с эмиттером транзистора, а выход подан на базу транзистора 5. Для съема напряжения с тензорезисторов служит блок 10 потенциальных ключей . выход которого подан на блок 11 формирования выходного сигнала на первый вход дифференциального усилителя 12, в котором второй вход соединен с выходом источника напряжения 2, а выход подан на вход аналого-цифрового преобразователя 13. Блок 14 служит для управления работой токовых и потенциальных ключей.

Требования к электронным компонентам устройства являются общепринятыми. Переходные сопротивления ключей практически не влияют на работоспособность устройства из-за того, что токовые ключи находятся в цепях заданного тока, а потенциальные ключи служат для передачи напряжения на высокоомный вход дифференциального усилителя.

На первый вход дифференциального усилителя 7 поступает напряжение, равное

где Е - выходное напряжение источника 2.

Генератор тока формирует ток, равный

При опросе i-го тензорезистора на последнем формируется напряжение

Устройство работает следующим образом. Переключением пары токового 1, и потенциального 10, ключей на i-й тензорезистор подается ток I с генератора тока 4 и снимается напряжение , которое через дифференциальный усилитель 12 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 13 и в цифровой форме поступает на выход. Поскольку нас интересует напряжение которое было бы на датчике при токозадающем резисторе 6 номиналом , а не , то, выполняем коррекцию, учитывая, что замене R₀ на R_i0 ток генератора и напряжение на датчике изменятся обратно пропорционально отношению получим

Если в цепях тензорезисторов имеется термоэдс. то для ее исключения опрос проводят на знакопеременном токе.

Структурная схема устройства измерения давления жидкости или газа с опросом тензорезисторов на знакопеременном токе представлено на фиг.2. Оно отличается от предложенного выше устройства тем, что в цепь постоянного тока на выходе генератора тока дополнительно вставлен мостиковый модулятор 15 сигнала опроса тензорезисторов, выход разнополярного сигнала с выходной диагонали которого подан на вход блока 1 тензорезисторов, а выход блока 1 дополнительно подан на мостиковый демодулятор 16, выходная диагональ которого подана на блок 11 формирования выходного информативного сигнала.

Блоки 15, и 16, предназначены для управления ключами модулятора 15 и демодулятора 16 соответственно. Работают модулятор и демодулятор традиционно. Для исключения возможной термоэдс необходимо сложить амплитуды четного числа (минимум двух) последовательных периодов модуляции сигнала. Это выполняется в цифровом виде при последующей обработке информативного сигнала

Таким образом, предложенный способ измерения давления жидкости и устройства для его осуществления повышают точность за счет уменьшения погрешности нелинейности тензорезисторов и влияния температуры и упрощают реализацию за счет возможности неточного их изготовления.

1. Способ измерения давления жидкости или газа приборами с мембранами и тензорезисторами, отличающийся тем, что на одной или нескольких мембранах размещают (m+1)(n+1)-1 отдельных тензорезисторов, имеющих существенные различия по чувствительности β к давлению P и по чувствительности α к температуре θ, математической моделью которых, с достаточной точностью аппроксимирующей зависимости сопротивления от давления и температуры, является произведение полиномов степени m для давления и степени n для температуры, формируют систему линейных алгебраических уравнений из функций преобразования тензорезисторов вида

,

измеряют относительные изменения сопротивлений тензорезисторов и вычисляют измеряемое давление по формуле

где Δ - определитель системы линейных алгебраических уравнений, коэффициенты i-й строки расширенной матрицы которой имеют вид

где - определитель системы при замене в матрице столбца на столбец

где - сопротивление i-го тензорезистора при начальных давлении и температуре;

- относительное изменение сопротивления тензорезистора при конкретных давлении и температуре.

2. Устройство для измерения давления по способу п. 1, содержащее к тензорезисторов, коммутаторы, генератор постоянного тока, дифференциальные усилители, аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что генератор постоянного тока содержит транзистор с токозадающим резистором, включенным в эмиттерной цепи и первый дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом делителя постоянного напряжения, второй вход соединен с эмиттером транзистора, а выход подан на базу транзистора, коллектор транзистора через k токовых ключей и тензорезисторы подан на вход источника напряжения постоянного тока, выходы напряжения с тензорезисторов через к потенциальных ключей поданы на первый вход второго дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения постоянного тока, а выход подан на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом информативного сигнала

где R₁ - сопротивление тензорезистора, R₀ - сопротивление токозадающего резистора, Е - напряжение источника постоянного тока, r₁ и r₂ сопротивления резисторов делителя.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что для осуществления опроса тензорезисторов знакопеременным током оно дополнительно содержит модулятор и демодулятор тока из соединенных четырехплечим мостом ключей, причем модулятор включен первой диагональю в разрыв токовой ветви генератора и второй диагональю через токовые ключи подан на тензорезисторы и демодулятор тока включен первой диагональю на выход источника напряжения и выход потенциальных ключей, а второй диагональю на вход второго дифференциального усилителя.