ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ

Авторы: Дудихин И.В., Итунин В.Л., Лётов Ю.Д., Матюхин Ю.Д., Поваренкин Н.Н.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНР1Я
Нолезная модель относится к приборам для измерения теплотехнических величин и может быть использована в средствах учета энергоресурсов (на потоках природного газа, водяного пара, а также в системах автоматического контроля и регулирования, где требуется точное измерение абсолютного давления).
Наиболее близким по своей технической сущности и устройству заявляемой полезной модели следует считать прибор модели EJA 31ОА фирмы Yokagawa с кремниевым резонансным чувствительным элементом (Каталог на 1999-2000 годы ЙОКАГАВА ЭЛЕКТРИК КОРПОРЕЙШН, РОССИЯ, г. Москва, стр. 14, информационный материал указанной фирмы Описание и основные технические характеристики датчика DpharP EJA), содержащий мембранный чувствительный элемент. В указанном чувствительном элементе частота двух резонаторов определяется деформацией участков кремниевой мембраны, один из которых работает на сжатие, а другой - на растяжение. Преобразователь содержит в своем составе мембранный блок, внутренняя полость которого заполнена рабочей жидкостью, кроме вакуумированной полости, ограниченной мембраной чувствительного элемента давления, резонаторы которого входят в состав автогенераторов давления. Выходы генераторов давления подключены к реверсивному счетчику, связанному с центральным процессором, к которому подключены драйвер табло индикации с индикатором, модем и цифро-аналоговый преобразователь- для передачи по двухпроводной линии связи в цифровой и аналоговой форме (токовый сигнал 4-20мА), в соответствие с одним из протоколов HART или BRAIN.
2000122271
111Ш11ШШ11Ш1И1111111Ж11111
г 00 01 22 г 7 1
МПКОО1Ь7/00
Однако, указанный преобразователь не обеспечивает высокой точности измерения, поскольку материал резонаторов мембранного чувствительного элемента - кремний, не обладающий должными механическими свойствами, а именно - высокими упругими свойствами и достаточной механической прочностью.
Технический результат полезной модели направлен на повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что измерительный преобразователь абсолютного давления, состояш;ий из заполненного жидкостью мембранного блока с размеш,енным в нем пьезорезонансным чувствительным элементом давления, входяш;ий в состав автогенератора измерительного канала давления, микроконтроллер, индикатор считывания показаний измерения, интерфейс передачи данных по линии связи, подключенные к портам указанного микроконтроллера, содержит канал коррекции по температуре, образованный термочувствительным резонатором, входяш;им в состав автогенератора температурного канала, мультиплексор, причем пьезорезонансный чувствительный элемент давления и термочувствительный резонатор выполнены из монокристаллического кварца, при этом, выходы автогенераторов измерительного канала давления и корректируюш;его канала температуры подключены ко входам мультиплексора, управляемого микроконтроллером, а выход мультиплексора подключен ко входу счетчика микроконтроллера.
Отличительными признаками от прототипа является то, что: в преобразователь дополнительно введен канал коррекции по температуре, образованный термочувствительным резонатором, входяш;им в состав автогенератора температурного канала, мультиплексор, причем пьезорезонансный чувствительный элемент давления и термочувствительный резонатор выполнены из монокристаллического кварца, при этом, выходы автогенераторов измерительного канала давления и корректируюш,его канала температуры подключены ко входам мультиплексора, управляемого микроконтроллером, а выход мультиплексора подключен ко входу счетчика микроконтроллера.
Применение в устройстве температурного корректирующего канала позволяет в существенной мере снизить влияние температуры на результат измерения абсолютного давления, связанного, в частности с изменением модуля упругости пьезорезонатора давления, компоненты давления в мембранном блоке, вызываемой изменением объема рабочей жидкости при изменении ее температуры, а использование в качестве чувствительных элементов измерительного канала давления и корректирующего канала температуры монокристаллических кварцевых сило- и термочувствительных резонаторов, обладающих высочайщими механическими характеристиками, позволяет обеспечить высокие и стабильные во времени метрологические характеристики устройства.
На чертеже приведена функциональная схема измерительного преобразователя абсолютного давления (далее по тексту  преобразователя), подключенного к линии связи.
Блок мембранный 1 содержит чувствительный элемент давления 2, размещенный в полости, заполненной рабочей жидкостью, таким образом, что измеряемое давление через разделительную мембрану воздействует на указанный чувствительный элемент давления 2. Указанный чувствительный элемент входит в состав автогенератора 5. Выходной частотный сигнал автогенератора давления 5 через мультиплексор 6 подается на вход счетчика микроконтроллера, с помощью которого микроконтроллером 7, в соответствие с заложенной в него программой и константами, полученными при градуировке преобразователя, производится измерение частоты сигнала измерительного канала давления, расчет значения измеряемой величины абсолютного давления, отображение и передача данных в линию связи. Для исключения составляющей дополнительной погрешности преобразователя от влияния температуры, как окружающего воздуха, так и измеряемой среды при эксплуатации, в преобразователь дополнительно введен канал коррекции по температуре канал, образованный размещенным в корпусе мембранного блока термочувствительным резонатором 3 и входящим в состав автогенератора температурного канала 4. Выходы автогенераторов подключены ко входам мультиплексора 6, и частотные сигналы с их выходов поочередно поступают на вход счетчика микроконтроллера 7, в зависимости от управляющего кода с его порта. Выходные порты микроконтроллера 7 также подключены к индикатору 8 (жидкокристаллический индикатор) и последовательному интерфейсу (RS-485) 9. Преобразователь подключен к линии связи, содержащей цепи: питания и сигнальную.
Преобразователь работает следующим образом. После подачи постоянного питающего напряжения на преобразователь от цепи питания линии связи, в автогенераторах преобразователя 4 и 5 устанавливаются возбуждение пьезорезонансного элемента давления 2 и термочувствительного резонатора 3 на частотах собственных колебаний указанных резнаторов, определяемых поданным на вход измеряемого давления и температурой мембранного блока 1, соответственно. Микроконтроллер 7, в соответствие с заложенной в него программой, последовательно коммутирует через мультиплексор 6 указанные частотные сигналы с выходов автогенераторов 5 и 4 на вход своего счетчика, с помощью которого микроконтроллер 7 измеряет значения частоты частотного сигнала и вычисляет значение измеряемой величины абсолютного давления - с использованием констант, значение которых получено заранее, в ходе градуировки преобразователя. Алгоритм вычисления результата измерения предусматривает расчет значения абсолютного давления в единицах измерения кПа, МПА, в зависимости от значения верхнего предела измерения преобразователя, по полиномиальным зависимостям от аргумента - частоты сигнала измерительного канала давления. Окончательное, скорректированное, значение результата измерения получается с учетом изменения частоты сигнала корректирующего канала температуры в сравнении с температурой нормальных условий (плюс 20 С), с использованием данных.
полученных в ходе градуировки в рабочем температурном диапазоне преобразователя.
Результат измерения абсолютного давления индицируется индикатором 8 и передается в сигнальную цепь линии связи через интерфейс RS-485 9, осуществляя тем самым передачу во вторичную аппаратуру пользователя результата измерения, в соответствие с протоколом. Программное обеспечение преобразователя реализует под управлением вторичной аппаратуры также ряд необходимых функций, в том числе сервисных, удобных для потребителя.