СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING LIQUID OR GAS PRESSURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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
i
Если все тензорезисторы идентичны, то все β=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].
0
После изготовления производится определение сопротивления R 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.
l
i0
В общем случае возможно использование стандартных устройств, измеряющих сопротивления тензорезисторов. Однако из выражения (10) следует, что информативным параметром является отношение R/R 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.
0
1
2
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 R 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 r и r, 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
0
i0
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 R на R 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.