СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD TO MEASURE PRESSURE AND INTELLIGENT PRESSURE SENSOR ON ITS BASIS

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред.
Известны способы измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления и устройства для измерения давления [1, 2], в которых измеряемое давление вычисляют из напряжений питающей и измерительной диагоналей мостовой измерительной схемы, а тензорезисторный преобразователь выполняют в виде нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) [3, 4].
Недостатком таких способов и устройств является невозможность обнаружения факта изменения сопротивлений тензорезисторов (в результате старения, выхода из строя и т.п.) и, соответственно, недостоверности результата измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является выбранный в качестве прототипа способ измерения давления и тензорезисторный датчик давления на его основе [5]. Он заключается в том, что воздействие измеряемого давления преобразуется в изменение сопротивлений тензорезисторного преобразователя (тензорезисторной НиМЭМС), подключенного к источнику тока, измерении напряжений в измерительной и питающей диагоналях мостовой измерительной цепи и преобразовании измеренных значений напряжений в давление.
Датчик давления, реализующий такой способ, содержит тензорезисторный преобразователь давления (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью из тензорезисторов, питающая диагональ которой подключена к источнику тока и к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), измерительная диагональ мостовой измерительной цепи тоже подключена к аналого-цифровому преобразователю. Имеется вычислительное устройство в виде микроконтроллера, соединенное с аналого-цифровым преобразователем, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) и цифровым интерфейсом, выход которого является выходом датчика. В процессе калибровки датчика осуществляется регистрация сигналов, соответствующих напряжениям в измерительной и питающей диагоналях моста при контрольных значениях давления и температуры.
Недостатком известного способа и датчика давления на его основе является отсутствие самоконтроля, обусловленное тем, что в процессе измерения регистрируются только значения напряжений измерительной и питающей диагоналей, являющихся соответственно мерой давления и мерой температуры, что вследствие отсутствия избыточности информации не позволяет провести проверку достоверности результата измерения. В процессе калибровки данного датчика в ПЗУ записывается только информация (полиномиальные коэффициенты аппроксимирующей зависимости), необходимая для вычисления давления исходя из значений напряжений измерительной и питающей диагоналей, что недостаточно для проведения самоконтроля.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали.
pt
iz1
iz2
iz1
iz2
pt
iz
iz1
iz2
pt
iz1
iz2
Это достигается тем, что в способе измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы, содержащей мостовую измерительную цепь из тензорезисторов, заключающемся в том, что питающую диагональ мостовой измерительной цепи подключают к источнику постоянного тока и регистрируют напряжения между узлами мостовой измерительной цепи, подают давление, вначале в режиме калибровки, а затем в режиме измерения, причем в режиме калибровки осуществляют регистрацию напряжений между узлами мостовой измерительной цепи, а в режиме измерения осуществляют вычисление измеренного давления по текущим данным напряжений между узлами мостовой измерительной цепи и данным, зарегистрированным в режиме калибровки, в соответствии с предлагаемым изобретением, в режиме калибровки и измерения одновременно регистрируют данные напряжений между узлами питающей диагонали U, между одним узлом питающей диагонали и первым узлом измерительной диагонали U, а также между тем же узлом питающей диагонали и вторым узлом измерительной диагонали U, причем в режиме калибровки сохраняют данные для вычисления напряжений U, U, а в режиме измерения вычисляют измеренное значение давления Р исходя из напряжений питающей диагонали U и измерительной диагонали U=U-U и сохраненных на этапе калибровки данных, затем вычисляют напряжения между узлом питающей диагонали и первым узлом измерительной диагонали, а также между тем же узлом питающей диагонали и вторым узлом измерительной диагонали исходя из величины измеренного значения давления Р, напряжения питающей диагонали U и сохраненных на этапе калибровки данных, определяют разницу между вычисленными и измеренными значениями напряжений U, U, и если эта разница превышает значение критерия стабильности, то принимается решение о недостоверности результата измерения давления.
1
2
3
4
В датчике давления на основе НиМЭМС, реализующем предлагаемый способ, содержащем мостовую измерительную цепь из тензорезисторов R, R, R, R, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), вычислительное устройство (ВУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), цифровой интерфейс (ЦИ), причем мостовая измерительная цепь подключена к АЦП, их выходы соединены со входами ВУ, которое соединено с ПЗУ и ЦИ, при этом вход первого АЦП подключен к диагонали питания мостовой измерительной цепи, в соответствии с предлагаемым изобретением, входы второго АЦП подключены к узлу питающей диагонали и первому узлу измерительной диагонали, а входы третьего АЦП - к тому же узлу питающей диагонали и второму узлу измерительной диагонали, при этом вычислительное устройство содержит блок преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, блок расчета численного значения давления, блок самоконтроля, причем блок преобразования кода АЦП в численное значение напряжения имеет первый, второй и третий входы, являющиеся входами вычислительного устройства, первый, второй и третий выходы блока преобразования кода АЦП в численное значение напряжения соединены с первым, вторым и третьим входами блока расчета численного значения давления, а четвертый вход является четвертым входом вычислительного устройства, выход блока расчета численного значения давления является первым входом блока самоконтроля, второй, третий и четвертый входы которого соединены с первым, вторым и третьим выходами блока преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, а пятый вход соединен с четвертым входом вычислительного устройства.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого датчика давления на основе НиМЭМС, реализующего предлагаемый способ измерения. На фиг.2 приведена структурная схема вычислительного устройства.
1
2
3
4
Датчик давления на основе НиМЭМС, реализующий предлагаемый способ измерения, содержит источник тока 1, мостовую измерительную цепь 2 из тензорезисторов R, R, R, R НиМЭМС, первый 3, второй 4 и третий 5 аналого-цифровые преобразователи, вычислительное устройство 6, цифровой интерфейс 7, постоянное запоминающее устройство 8 (фиг.1). Вычислительное устройство 6 включает в себя блок 9 преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, блок 10 расчета численного значения давления, блок самоконтроля 11 (фиг.2).
1
2
3
4
1
2
3
4
iz1
iz2
2
4
pt
pt
iz1
iz2
pt
iz1
iz2
pt
iz
iz1
iz2
pt
iz1
iz2
iz1
iz2
pt
iz1
iz2
Датчик давления работает следующим образом. Мостовая измерительная цепь 2 из тензорезисторов R, R, R, R НиМЭМС питается от источника постоянного тока 1 (фиг.1). В результате воздействия давления возникают деформации тензорезисторов, включенных в мостовую измерительную цепь 2. Изменение сопротивлений тензорезисторов R, R, R, R приводит к изменению напряжений U, U на тензорезисторах R, R (потенциалов узлов измерительной диагонали). Напряжение U питающей диагонали моста 2 зависит от температуры тензорезисторного преобразователя. Напряжения U, U, U поступают на вход первого 3, второго 4 и третьего 5 аналого-цифровых преобразователей. Выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с первым, вторым и третьим входами вычислительного устройства 6, являющимися также первым, вторым и третьим входами блока 9 преобразования кода АЦП в численное значение напряжения. Вычисленные данным блоком значения напряжений U, U, U подаются в блок 10 расчета численного значения давления, который вычисляет численное значение Р измеренного давления по данным, хранящимся в постоянном запоминающем устройстве 8 исходя из напряжений питающей U и измерительной U=U-U диагоналей. В качестве таких данных могут служить коэффициенты полиномиального выражения, сохраненные в ПЗУ 8 на этапе калибровки, либо данные для вычисления сплайн-интерполяции. Вычисленное численное значение давления подается на первый вход блока самоконтроля 11. На второй, третий и четвертый входы блока 11 подаются значения измеренных напряжений U, U, U, а пятый вход является четвертым входом вычислительного устройства, соединенным с ПЗУ 8. Блок самоконтроля 11 вычисляет напряжения U, U по данным измеренного напряжения U и вычисленного давления Р с помощью данных, хранящихся в постоянном запоминающем устройстве 8, которыми могут служить коэффициенты полиномиального выражения либо данные для вычисления сплайн-интерполяции. Блок самоконтроля производит сравнение вычисленных напряжений с измеренными U, U. В случае если их разница не превышает допустимого значения тестового критерия стабильности, на выходе блока самоконтроля 11 будет значение давления, вычисленное блоком 10 расчета численного значения давления, в противном случае на выход блока самоконтроля 11, кроме значения давления, поступит сигнал, сообщающий о недостоверности значения измеренного давления. С выхода блока самоконтроля 11 сигнал поступает на вход цифрового интерфейса 7, формирующего выходной сигнал датчика (о давлении и его достоверности).
pt
iz1
iz2
2
4
pt
iz
iz1
iz2
iz1
iz2
pt
Калибровка осуществляется путем регистрации напряжения U питающей диагонали мостовой схемы, напряжений U, U на тензорезисторах R, R при установленных контрольных значениях эталонных давления и температуры, вычислении данных (например, полиномиальных коэффициентов аппроксимирующей зависимости) для нахождения значения давления Р из значений напряжения питающей U и измерительной U=U-V диагоналей, а также данных для вычисления напряжений U, U из напряжения U питающей диагонали и давления Р, и записи этих данных в постоянное запоминающее устройство.
Таким образом, при использовании предложенного способа измерения давления и интеллектуального датчика давления на основе НиМЭМС повышается надежность результата измерения за счет введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления.
Источники информации
1. А.с. СССР №1597623, МПИ G01L 9/04, Бюл. №37 от 07.10.90. Устройство для измерения давления / В.А.Васильев, А.И.Тихонов.
2. Патент РФ №2304762, МПК G01L 9/04, Бюл. №23 от 20.08.2007. Способ и устройство измерения давления / В.И.Садовников, А.Н.Кононов, А.Я.Аникин, В.А.Ларионов, А.Л.Шестаков.
3. Патент РФ №2398195, G01L 9/04, Бюл. №24 от 27.08.2010. Способ изготовления нано- и микроэлектромеханической системы датчика давления и датчик давления на его основе / П.С.Чернов, В.А.Васильев, Е.М.Белозубов.
4. Патент РФ 2411474 G01L 9/04, Бюл. №4 от 10.02.2011. Датчик давления повышенной точности на основе нано- и микроэлектромеханической системы с тонкопленочными тензорезисторами / П.С.Чернов, В.А.Васильев, Е.М.Белозубов.
5. Патент РФ №2300745, МПК G01L 9/04, Бюл. №16 от 10.06.2007. Устройство для измерения давления / Ю.Г.Свинолупов, В.В.Бычков.