ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов сложных технических систем топливоэнергетического комплекса, АЭС, автомобильного и железнодорожного транспорта и других отраслях промышленности.
Известно устройство для преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал, содержащее источник тока, блок коррекции, блок преобразования импеданса в выходной сигнал, выход которого соединен с нагрузочным резистором, отличающееся тем, что оно снабжено стабилизатором питающих и опорных напряжений, образующих с источником тока блок питания, масштабирующим усилителем, дифференциальные входы которого соединены с измерительной диагональю измерительного моста, независимым регулируемым и масштабируемым каналом коррекции температурной погрешности "нуля", состоящим из суммирующего блока, вход которого соединен с выходом масштабирующего усилителя и блока коррекции температурной погрешности "нуля", коммутатором пределов измерения, независимым регулируемым и масштабируемым каналом коррекции температурной погрешности "диапазона", состоящим из перемножающего моста, выход которого соединен с входом блока преобразования импеданса в выходной сигнал, и блока коррекции температурной погрешности "диапазона", выход которого подключен ко второму входу блока преобразования импеданса, коммутатор пределов измерения включен между выходом блока коррекции и входом перемножающего моста, блок коррекции выполнен в виде блока коррекции статической нелинейности измерительного моста, вход которого подключен к выходу суммирующего блока, выход опорного напряжения блока питания соединен с входами опорного напряжения блоков коррекции температурной погрешности "нуля" и "диапазонов", суммирующего блока, блока коррекции и блока преобразования импеданса, источник тока блока питания подключен к информационному входу блока коррекции температурной погрешности "нуля" и к диагонали питания измерительного моста, выполненного температурно-зависимым, второй вход перемножающего моста подключен к информационному входу блока коррекции температурной погрешности "диапазона", перемножающий мост выполнен в виде резистивного моста с четырьмя плечами, по крайней мере, в одном из плеч которого резистор выполнен температурно-зависимым, и дифференциального усилителя, входами включенного в измерительную диагональ резистивного моста, выход усилителя является вторым выходом перемножающего моста, а диагональ питания резистивного моста подключена между входом и первым выходом перемножающего моста. Патент Российской Федерации №2087857 МПК: G01B 7/16, 1997 г.
Устройство для повышения точности измерения требует коррекции температурной погрешности методом кусочно-линейной аппроксимации температурной зависимости выходного сигнала путем включения в схему отдельной цепи корректирующих резисторов.
Известен датчик давления, содержащий тензорезисторный преобразователь давления, выполненный в виде моста Уинстона терморезисторный датчик температуры, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), дифференциальный усилитель, выходы которого соединены с первым и вторым аналоговыми входами АЦП, микроконтроллер, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), аналоговый выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток, цифровой интерфейс, источник опорного напряжения и источник питания, при этом в качестве терморезисторного датчика температуры используется питающая диагональ моста тензорезисторного преобразователя давления, и в состав устройства дополнительно введены источник тока, выход которого соединен с питающей диагональю моста тензорезисторного преобразователя давления, блок сигнализации, блок управления, цифровой индикатор, аналоговый дифференциальный мультиплексор, к аналоговым входам которого подключены выводы питающей и измерительной диагоналей названного моста, а к аналоговым выходам - аналоговые входы дифференциального усилителя. К входу опорного напряжения АЦП подключен выход источника опорного напряжения, цифровые вход и выход ЦАП соединены с первым выходом и входом микроконтроллера, входы блока сигнализации - со вторым и третьим выходами микроконтроллера, вход и выход цифрового интерфейса - с четвертым выходом и вторым входом микроконтроллера, цифровые вход и выход аналогового дифференциального усилителя и цифровые вход и выход АЦП - с пятым выходом и третьим входом микроконтроллера соответственно, выходы блока управления - с четвертым, пятым и шестым входами микроконтроллера, а входы цифрового индикатора - с шестым и седьмым выходами микроконтроллера. Патент Российской Федерации №2300745 МПК: G01L 9/04, 2007 г.
Наличие аналого-цифрового преобразования в канале измерения давления ограничивает быстродействие устройства и увеличивает динамическую погрешность измерения, особенно при измерении пульсирующего давления при частотах пульсации, кратных частоте дискретизации АЦП.
Известно устройство для измерения давления, содержащее сенсорный мост, одна из диагоналей которого связана вершинами с входами усилителя с программируемым коэффициентом усиления, подключенного к формирователю выходного сигнала, а вторая диагональ моста соединена одной из вершин с вводом стабилизатора напряжения, второй вход которого подключен к выходу последовательной цепочки «источник опорного напряжения - схема линеаризации функции преобразования», а вторая вершина второй диагонали сенсорного моста связана с каналом измерения температуры, включающим в себя переключатель и АЦП температуры и давления, причем третий вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления подключен к одному из выходов схемы управления, второй выход которой соединен со схемой линеаризации функции преобразования, а вход - с выходом АЦП, отличающееся тем, что в него введены дополнительно вычислительное устройство, подключенное одним входом к выходу АЦП, а вторым входом соединенное с выходом дополнительного блока управления, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для хранения коэффициентов коррекции, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения коэффициентов функции преобразования, блок питания и индикатор, причем выходы вычислительного устройства соединены соответственно с входами ОЗУ, ПЗУ и индикатора, а выход ОЗУ связан со вторым входом схемы управления. Патент Российской Федерации №2384824, МПК: G01L9/00, 2010 г. Прототип.
Прототип не обеспечивает высокой точности измерения. Необходимость периодического измерения давления и температуры с помощью коммутируемого АЦП для перерасчета коэффициентов математической модели в зависимости от значения давления приводит к увеличению динамической погрешности датчика, особенно при измерении пульсирующего давления.
Задачей изобретения является повышение точности измерения давления в широком диапазоне температур при сохранении быстродействия и расширение функциональных возможностей датчика.
Техническим результатом изобретения является уменьшение температурной погрешности за счет введения независимой компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности и повышение быстродействия.
1
2
1
2
1
2
Технический результат достигается тем, что датчик давления на основе сенсорного моста в виде тензорезисторного моста Уинстона, с источником стабилизированного питания сенсорного моста, нормирующим усилителем, формирователем выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения содержит аналого-цифровой преобразователь АЦП, микроконтроллер, сумматор, цифроаналоговые преобразователи ЦАП и ЦАП, безынерционное устройство компенсации основной погрешности, причем выходы источника стабилизированного питания сенсорного моста соединены с входами АЦП и сенсорного моста, выходы сенсорного моста соединены с двумя входами нормирующего усилителя, а выход сумматора соединен с третьим входом нормирующего усилителя, выход нормирующего усилителя соединен с одним из входов ЦАП, выход которого соединен с входом безынерционного устройства компенсации основной погрешности, а его выход - с входом формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения, один выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен с входом источника стабилизированного питания сенсорного моста, второй его выход соединен с входом ЦАП и вторым входом АЦП, а третий выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен со вторым входом сумматора, выход АЦП соединен с входом микроконтроллера, выходы которого соединены со вторыми входами ЦАП и ЦАП.
1
2
Сущность изобретения поясняется чертежом, где: 1 - источник стабилизированного питания сенсорного моста; 2 - сенсорный мост, выполненный в виде тензорезисторного моста Уинстона; 3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 4 - нормирующий усилитель; 5 - микроконтроллер; 6 - сумматор; 7 - цифроаналоговый преобразователь для компенсации дополнительной температурной погрешности мультипликативной составляющей сигнала (ЦАП); 8 - цифроаналоговый преобразователь для компенсации дополнительной температурной погрешности аддитивной составляющей сигнала (ЦАП); 9 - безынерционное устройство компенсации основной погрешности сенсорного моста; 10 - формирователь выходного сигнала, напряжения питания и опорного напряжения.
Для использования датчика давления его необходимо калибровать. При изготовлении датчика измеряют значения выходного сигнала сенсорного моста и падения напряжения на диагонали питания (при питании стабилизированным током) или тока питания моста (при питании стабилизированным напряжением) при различных температурах.
1
2
На основании полученных результатов определяют значения дополнительных температурных погрешностей и вычисляют значения коэффициентов полиномов для расчета кодов управления ЦАП и ЦАП.
1
2
1
2
Полученные коэффициенты записывают в память микроконтроллера 5, проводят расчет кодов управления ЦАП и ЦАП с последующей записью полученных кодов в энергонезависимую память ЦАП и ЦАП.
Компенсация основной погрешности безынерционным устройством исключает необходимость коммутации АЦП 3 для последовательных измерений давления и температуры и расчета значения давления, что устраняет динамическую погрешность устройства.
Устройство работает следующим образом.
2
1
1
При воздействии давления происходит деформация сенсорного моста 2, подключенного к источнику питания 1, что приводит к изменению номиналов плеч моста 2. При изменении номиналов плеч моста на выходах измерительной диагонали появляется разность потенциалов, которую усиливает нормирующий усилитель 4. Компенсацию аддитивной составляющей дополнительной температурной погрешности производят сложением в нормирующем усилителе 4 измеряемого сигнала и сигнала с сумматора 6, на входы которого поступают сигнал цифроаналогового преобразователя ЦАП 8 и сигнал оперативной регулировки нуля, поступающий из формирователя выходного сигнала и напряжений питания и опоры 10. Сигнал с выхода нормирующего усилителя 4 поступает на устройство компенсации мультипликативной составляющей температурной погрешности сигнала давления ЦАП 7. Сигнал с выхода ЦАП 7 поступает на вход безынерционного устройства компенсации основной погрешности первичного преобразователя 9, где его преобразуют во входной сигнал для формирователя выходного сигнала и напряжений питания и опоры 10.
Сигнал с измерительного выхода источника стабилизированного питания 1 сенсорного моста 2, пропорциональный напряжению на диагонали питания сенсорного моста 2 при питании стабилизированным током или току питания сенсорного моста 2 при питании стабилизированным напряжением, поступает на вход АЦП 3, производящего непрерывное измерение температуры.
1
2
Сигнал с выхода АЦП 3 поступает на вход микроконтроллера 5, в памяти которого хранят коэффициенты математических моделей для расчета кодов управления ЦАП 7 и ЦАП 8.
1
2
С выходов микроконтроллера 5 коды управления поступают на входы ЦАП 7 и ЦАП 8 для компенсации мультипликативной и аддитивной составляющих дополнительных температурных погрешностей соответственно.
Таким образом, в данном устройстве осуществляют непрерывную раздельную температурную компенсацию аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности сенсора давления, что позволяет повысить точность измерения при сохранении быстродействия.