УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЕГО К РАБОТЕ
PRESSURE MEASURING DEVICE AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF FOR OPERATION

Изобретения относятся к измерительной технике и могут использоваться в нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности.
Известно устройство для измерения давления, представленное в патенте РФ 2300745 «Устройство для измерения давления» по кл. G01L 9/04, заявлено 25.04.05, опубл. 10.06.07 г.
Известный датчик содержит тензорезисторный преобразователь давления, выполненный в виде моста Уитстона, 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.
Это устройство обладает высокой потенциальной точностью измерения за счет аппроксимации выходной характеристики сенсора давления двухфакторной математической моделью достаточно высокой степени. Однако наличие аналого-цифрового преобразования в канале измерения давления принципиально ограничивает быстродействие устройства и увеличивает динамическую погрешность измерения, особенно при измерении пульсирующего давления при частотах пульсации, кратных частоте дискретизации АЦП.
Известен датчик давления, описанный в авт. св. РФ №14080 по кл. G01L 9/04, 9/12 «Электронный блок измерительного преобразователя давлений».
Известный датчик содержит последовательно соединенные стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, тензопреобразователь сигнала давления, предварительный усилитель сигнала давления, первый сумматор, регулируемый усилитель, преобразователь напряжения в ток, а также корректор нелинейности измерительного преобразователя, соединенный выходом с входом второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу стабилизатора тока, устройство измерения температуры тензопреобразователя в виде мостовой схемы, собранной из тензопреобразователя и трех резисторов, измерительная диагональ которой подключена к входу усилителя сигнала температуры, корректор температурного ухода диапазона измерений и корректор температурного ухода начальных значений выходного сигнала, выходы которых подключены соответственно ко вторым входам второго и первого сумматоров, при этом второй вход регулируемого усилителя и третий вход первого сумматора служат входами соответственно сигнала настройки диапазона и сигнала настройки начальных значений выходного сигнала, причем в него введены дополнительно функциональный преобразователь, второй корректор температурного ухода диапазона измерений и второй корректор температурного ухода начальных значений выходного сигнала, при этом вход функционального преобразователя соединен с выходом усилителя сигнала температуры, а его первый и второй выходы подключены соответственно к входам первых и вторых корректоров температурного ухода диапазона измерений и начальных значений выходного сигнала, выходы сигнала соединены соответственно с третьим входом второго сумматора и четвертым входом первого сумматора, а вход корректора нелинейности подключен к выходу предварительного усилителя сигнала давления.
Недостатком известного устройства является то, что при весьма высоком быстродействии данное устройство является недостаточно точным, поскольку реализация в нем функции коррекции выше второй степени приведет к большому усложнению схемы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является программируемый сенсорный преобразователь сигнала, выполненный в виде микросхемы PGA309 фирмы Burr-Brown from Texas Instruments, представленный в Приложении и выбранный в качестве прототипа.
Известный преобразователь содержит сенсорный мост, одна из диагоналей которого связана вершинами со входами усилителя с программируемым коэффициентом усиления, подключенного к формирователю выходного сигнала, а вторая диагональ моста соединена одной из вершин со входом 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, причем третий вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления подключен к одному из выходом схемы управления, второй выход которой соединен со схемой линеаризации функции преобразования, а вход - с выходом АЦП.
Установка коэффициента усиления, напряжения смещения, ввод калибровочных констант, считывание внутренних буферов и внешней памяти и все остальные операции по управлению микросхемой осуществляются посредством цифрового интерфейса.
Известный способ заключается в следующем.
Для подготовки устройства для измерения давления к работе производят измерение значений давления при различных температурах, рассчитывают для отдельных значений давления коэффициенты смещения, усиления и линеаризации, которые запоминают в энергонезависимом запоминающем устройстве. При этом в процессе работы изменяют напряжение питания тензорезистивного преобразователя, напряжение смещения и коэффициент усиления программируемого усилителя при помощи схемы управления пропорционально температуре окружающей среды посредством алгоритма коррекции нелинейности, пропорционального полиному второй степени, чтобы минимизировать ошибки измерения, связанные с нелинейностью тензорезистивного преобразователя и изменением температуры окружающей среды.
Устройство не содержит дискретных преобразований в канале измерения давления и таким образом обладает максимальным быстродействием и не содержит погрешностей, обусловленных квантованием сигнала. Однако используемый в нем алгоритм коррекции нелинейности, эквивалентный полиному второй степени, не позволяет в ряде случаев получить требуемую точность измерения.
Задачей, на достижение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения при сохранении высокого быстродействия устройства измерения давления и расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная задача решается тем, что
- в устройство для измерения давления, содержащее сенсорный мост, одна из диагоналей которого связана вершинами со входами усилителя с программируемым коэффициентом усиления, подключенного к формирователю выходного сигнала, а вторая диагональ моста соединена одной из вершин со входом 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, причем третий вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления подключен к одному из выходом схемы управления, второй выход которой соединен со схемой линеаризации функции преобразования, а вход - с выходом АЦП, согласно изобретению введены дополнительно вычислительное устройство, подключенное одним входом к выходу АЦП, а вторым входом соединенное с выходом 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 со входами ОЗУ, ПЗУ и индикатора, а выход ОЗУ связан со вторым входом схемы управления;
- в способе подготовки устройства для измерения давления к работе, включающем измерение значений давления при различных температурах, расчет коэффициентов смещения, усиления и линеаризации, запоминание этих коэффициентов в энергонезависимом запоминающем устройстве, причем напряжение питания тензорезистивного преобразователя, напряжение смещения и коэффициент усиления программируемого усилителя в процессе работы изменяют при помощи схемы управления пропорционально измеренному давлению и температуре окружающей среды в соответствии с записанными коэффициентами таким образом, чтобы минимизировать ошибки измерения, связанные с нелинейностью тензорезистивного преобразователя и изменением температуры окружающей среды, согласно изобретению по измеренным значениям давления строят функцию преобразования для всего диапазона измерения, которую разбивают на отдельные участки в соответствии с алгоритмом, включающим в себя определение оптимальной степени полинома, описывающего функцию преобразования, расчет погрешности нелинейности функции преобразования, нахождение первой производной для погрешности нелинейности функции преобразования, определение точек экстремума и точек пересечения первой производной с осью абсцисс, являющихся точками разбиения диапазона измерения на участки, при этом на каждом из названных участков диапазона измерения функция преобразования может быть скорректирована схемой линеаризации с необходимой точностью, значения давления, соответствующие границам участков разбиения диапазона измерения, записывают в энергонезависимое запоминающее устройство, для каждого участка диапазона измерения рассчитывают коэффициенты смещения, усиления и линеаризации, которые также записывают в энергонезависимое запоминающее устройство и затем используют для минимизации ошибок измерения.
Введение в схему вычислительного устройства дает возможность применять различные функции преобразования для различных участков диапазона измерения тензорезистивного преобразователя, что в совокупности с наличием запоминающих устройств и вышеупомянутых связей позволяет с помощью схемы управления в соответствии с коэффициентами для различных участков характеристики тензорезистивного преобразователя изменять напряжение питания тензорезистивного преобразователя, напряжение смещения и коэффициент усиления программируемого усилителя пропорционально температуре окружающей среды по заранее определенному закону таким образом, чтобы минимизировать ошибки измерения, связанные с нелинейностью тензорезистивного преобразователя и изменением температуры окружающей среды, обеспечивая тем самым повышение точности измерения.
Кроме того, введение в схему вычислительного устройства позволяет расширить функциональные возможности за счет индикации измеренного давления в физических единицах измерения и организации удобного пользовательского интерфейса.
Технический результат - более дробная линеаризация характеристики тензопреобразователя с более точной ее корректировкой.
Заявляемые средства обладают новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как:
- в устройстве- введение дополнительно вычислительного устройства, подключенного одним входом к выходу АЦП, а другим входом соединенного с выходом блока управления, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) для хранения коэффициентов коррекции, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для хранения коэффициентов функции преобразования, блока питания и индикатора, при этом выходы вычислительного устройства соединены соответственно со входами ОЗУ, ПЗУ и индикатора, а выходы ОЗУ и АЦП связаны соответственно со входами схемы управления, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата;
- в способе - построение по измеренным значениям давления функции преобразования, разбиение диапазона измерений в соответствии с определенным алгоритмом на отдельные участки, на каждом из которых функция преобразования может быть скорректирована схемой линеаризации с необходимой точностью, запись в энергонезависимое запоминающее устройство значений давления, соответствующих границам участков разбиения, расчет для каждого участка функции преобразования коэффициентов смещения, усиления и линеаризации, запись их в энергонезависимое запоминающее устройство и последующее использование для минимизации ошибок измерения, а также использование для коррекции характеристик тензопреобразователя в процессе работы соответствующего набора коэффициентов коррекции, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемые технические решения соответствуют критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые технические решения могут найти широкое применение в измерительной технике, поэтому соответствуют критерию «промышленная применимость»
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения давления.
Устройство состоит из выполненного по мостовой схеме сенсора 1 давления, стабилизатора 2 напряжения питания сенсора давления, источника 3 опорного напряжения, схемы 4 линеаризации функции преобразования, усилителя 5 с программируемым коэффициентом усиления, схемы 6 управления, переключателя (коммутатора) 7, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 9 хранения коэффициентов коррекции, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 10 хранения коэффициентов функции преобразования, формирователя 11 выходного сигнала, блока 12 питания, вычислительного устройства 13, блока 14 управления и индикаторного устройства 15.
При этом одна из диагоналей сенсорного моста 1 связана вершинами со входами усилителя 5 с программируемым коэффициентом усиления, подключенного к формирователю 11 выходного сигнала, а вторая диагональ моста 1 соединена одной из вершин со входом стабилизатора 2 напряжения, второй вход которого подключен к выходу последовательной цепочки «источник 3 опорного напряжения - схема 4 линеаризации функции преобразования», а вторая вершина второй диагонали сенсорного моста 1 связана с каналом измерения температуры, включающим в себя переключатель 7 и АЦП 8 температуры, причем третий вход усилителя 5 с программируемым коэффициентом усиления подключен к одному из выходов схемы 6 управления, второй выход которой соединен со схемой 4 линеаризации функции преобразования, а вход - с выходом АЦП 8. Вычислительное устройство 13, подключенное одним входом к выходу АЦП 8, вторым входом соединено с выходом блока 14 управления, а его выходы соединены соответственно со входами оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 9, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 10 и индикаторного устройства 15, а выходы ОЗУ 9 и АЦП 8 связаны соответственно со входами схемы 6 управления. Узлы 2-8 выполнены, в частности, на микросхеме PGA 309.
Принцип действия устройства основан на преобразовании давления измеряемой среды в изменение сопротивления тензорезистивного преобразователя и измерении напряжения в измерительной диагонали тензорезистивного преобразователя при помощи программируемого усилителя, при этом напряжение питания тензорезистивного преобразователя, напряжение смещения и коэффициент усиления программируемого усилителя изменяются при помощи схемы управления пропорционально измеряемому давлению и температуре окружающей среды по заранее определенному закону таким образом, чтобы минимизировать ошибки измерения, связанные с нелинейностью тензорезистивного преобразователя и изменением температуры окружающей среды.
Устройство работает следующим образом.
При изготовлении устройства выполняется измерение значений давления при различных температурах, по которым строят функцию преобразования, которую далее разбивают в соответствии с определенным алгоритмом на отдельные участки, каждый из которых может быть скорректирован линеаризатором 4 с необходимой точностью. Значения давления, соответствующие границам участков разбиения, записывают в энергонезависимое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10. Для каждого участка функции преобразования рассчитывают коэффициенты смещения, усиления и линеаризации, которые также записываются в энергонезависимое запоминающее устройство 10.
Суть используемого алгоритма состоит в следующем:
- определяют наилучшую (оптимальную) степень полинома, описывающего функцию преобразования (выступающего в качестве математической модели функции преобразования);
- находят погрешности нелинейности функции преобразования;
- находят первую производную для погрешности нелинейности функции преобразования;
- определяют точки экстремума (минимума или максимума) и точки пересечения с осью абсцисс первой производной, являющиеся точками разбиения диапазона измерения.
При калибровке датчика вычислительное устройство 13 считывает из ПЗУ 10 набор коэффициентов, соответствующий установленным с помощью блока 14 управления пределам измерения, корректирует коэффициенты смещения и усиления в соответствии с данными калибровки и сохраняет полученные коэффициенты ПЗУ 10.
В процессе измерения давления вычислительное устройство 13 получает через коммутатор 7 и АЦП 8 напряжение с выхода программируемого усилителя, пересчитывает его в измеряемое давление, выбирает из ПЗУ 10 набор коэффициентов коррекции, соответствующий измеряемому давлению, и записывает его в ОЗУ 9. Схема 6 управления через линеаризатор 4 и программируемый усилитель 5 корректирует выходной сигнал сенсора давления в соответствии с записанными в ОЗУ коэффициентами и поступающим с АЦП 8 кодом температуры с целью получения заданной точность измерения. Коммутатор 7 периодически подключает вход АЦП к датчику температуры, в качестве которого используется полное сопротивление сенсора давления.
Таким образом, погрешность измерения в данном устройстве определяется точностью аппроксимации отдельных участков характеристики сенсора давления, а не всей характеристики, как это предусмотрено в прототипе, что позволяет значительно повысить точность измерения, а время измерения определяется полосой пропускания программируемого усилителя.