СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И КАЛИБРОВКИ НА ОСНОВЕ ТЕНЗОМОСТОВОГО ИНТЕГРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING PRESSURE AND CALIBRATION BASED ON TENSOBRIDGE INTEGRATED PRESSURE TRANSDUCER

Изобретение относится к области измерения постоянного или медленно изменяющегося давления газообразных или жидких веществ, а также калибровки устройств измерения давления, в частности к способам измерения давления и калибровки на основе тензомостового интегрального преобразователя давления и может быть использовано в областях народного хозяйства и производствах, где требуется прецизионное измерения давления в широком диапазоне рабочих температур.
Известен интегральный преобразователь давления, который выполнен в виде тензорезистров различной проводимости на монокристаллической кремниевой пластине, объединенных в мост Уитстона [1]. С противоположной стороны монокристаллической кремниевой пластины под тензорезисторами выполнены углубления в виде мембраны. При измерении давления на мост подают питание и измеряют напряжение с измерительной диагонали моста преобразователя, которое пропорционально поданному давлению.
Недостатками преобразователя являются температурная зависимость выходного напряжения с измерительной диагонали моста и нелинейность от измеряемого давления.
Известен способ температурной настройки тензорезисторного датчика давления с мостовой измерительной цепью [2]. Способ заключается в установке компенсационных терморезистров на мембране кремниевой пластины дополнительно с тензорезистрами и включении их в мостовую схему тензорезистров. Подбор номиналов терморезисторов позволяет компенсировать аддитивную и мультипликативную погрешности датчика в области рабочих температур.
Недостатками способа являются сложная техническая реализация и непригодность для готовых тензомостовых преобразователей давления.
Известен способ и цифровое устройство измерения давления на основе интегрального преобразователя давления [3]. В этом способе на преобразователь подают постоянное напряжение, напряжение измерительной диагонали тензомоста преобразуют в частотный сигнал с аналоговой компенсацией смещения нуля и коэффициента чувствительности датчика, а также температурной погрешности датчика, затем частотный сигнал с помощью микропроцессора преобразуют в RF сигнал.
Недостатком аналога является аналоговый способ компенсации погрешностей датчика, а также отсутствие компенсации нелинейности датчика.
Известен также способ и устройство измерения давления, содержащее источник напряжения, тензомост, образцовый резистор, двухканальный АЦП, датчик температуры и микроконтроллер [4]. Для вычисления давления используется двухфакторная полиноминальная модель второй степени зависимости давления от напряжения с измерительной диагонали тензомоста и данных температурного датчика. Коэффициенты модели рассчитываются по результатам калибровки при минимальной, номинальной и максимальной температурах для трех значений давления - минимальном, среднем и максимальном.
Недостатком способа является использование отдельного датчика температуры, а также двухфакторной модели зависимости давления от измеренных напряжений второй степени, которая не обеспечивает требуемой для прецизионных измерений точности.
В качестве прототипа выбран способ измерения давления, калибровки и датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы [5].
Способ измерения давления и калибровки на основе нано- и микроэлектромеханической системы заключается в том, что на мост подают постоянный ток питания, напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста измеряют в режиме калибровки и в режиме измерения давления, в режиме калибровки осуществляют регистрацию значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста в заданных точках установленного давления и температуры, по которым рассчитывают калибровочные коэффициенты, а в режиме измерения давление вычисляют по измеренным значениям напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста и калибровочным коэффициентам. При этом расчет давления выполняют путем бигармонической сплайн интерполяции измеренных значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста и матрицы калибровочных коэффициентов.
Недостатками известного способа являются:
а) нелинейность зависимости напряжений на измерительной и питающей диагоналях моста от температуры;
б) большое количество калибровочных данных, собранных в матрицу для бигармонической сплайн-интерполяции измеренных значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста, что требует для их расчета большого числа точек калибровки при различном сочетании значений давления и температуры и соответственно больших затрат времени и труда на проведение калибровки; в) сложный алгоритм вычисления давления путем бигармонической сплайн-интерполяции на основе матрицы калибровочных коэффициентов и измеренных значений напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста.
Задачей предлагаемого технического решения является прецизионное измерение давления с помощью тензомостового интегрального преобразователя давления во всем диапазоне рабочих температур и давления, сокращение времени и трудоемкости калибровки, а также упрощение вычислительной схемы расчета давления.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе измерения давления и калибровки на основе тензомостового интегрального преобразователя давления, в котором на мост подают ток питания, измеряют напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста при установленном давлении и температуре в режиме калибровки или в режиме измерения давления, причем в режиме калибровки осуществляют регистрацию напряжений на питающей и измерительной диагоналях тензомоста, вычисляют калибровочные коэффициенты, а в режиме измерения давления осуществляют вычисление давления по текущим напряжениям на питающей и измерительной диагоналях тензомоста с использованием калибровочных коэффициентов, рассчитанных в режиме калибровки, предусмотрены следующие отличия, питание на тензомост подают от источника тока с обратной температурной зависимостью, в режиме калибровки напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста регистрируют непрерывно с заданным временным интервалом в течение одного термоцикла изменения температуры от нормальных условий (НУ) до максимальной рабочей и минимальной рабочей температур и обратно при постоянном давлении отдельно для минимального и максимального значений давления и изменении давления только в НУ и крайних точках термоцикла, на основании зарегистрированных значений напряжений при минимальном и максимальном значении давления вычисляют калибровочные коэффициенты аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, на основании зарегистрированных значений напряжений при изменении давления в НУ и крайних точках термоцикла вычисляют калибровочные коэффициенты нелинейности преобразователя от давления, в режиме измерения давление вычисляют путем последовательной компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также нелинейности преобразователя от давления.
Между совокупностью существенных признаков заявленного изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
- питание тензомоста от источника тока с обратной температурной зависимостью обеспечивает линейную характеристику зависимости напряжения на питающей диагонали моста от температуры,
- использование последовательной компенсации аддитивной, мультипликативной температурной погрешностей и погрешности нелинейности преобразователя давления упрощает схему вычисления давления,
- проведение калибровки в одном термоцикле при непрерывной регистрации выходных напряжений тензомоста и постоянном давлении отдельно для минимального и максимального значений давления и изменении давления только в НУ и крайних точках рабочего диапазона температур сокращает время и трудоемкость калибровки, а также повышает точность расчета калибровочных коэффициентов компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей за счет большого числа калибровочных данных, полученных в течение всего термоцикла изменения температуры от НУ до максимальной рабочей и минимальной рабочей температур и обратно при минимальном и максимальном давлении.
Техническую сущность предложенного технического решения поясняют фиг. 1, где приведена схема интегрального преобразователя давления, фиг. 2, где приведена блок-схема вычисления давления, фиг. 3, где приведен пример термоцикла калибровки, и фиг. 4, где приведен пример схемы устройства.
T
D
На фиг. 1 приведена схема интегрального преобразователя давления, которая содержит источник тока 1 с обратной зависимостью тока от температуры, выполненного на транзисторе, и тензомост 2. С диагонали питания тензомоста 2 снимается напряжение V, которое зависит от изменения сопротивления моста при изменении температуры, а с противоположной - измерительной диагонали снимается напряжение разбаланса моста V, которое зависит от изменения сопротивления тензорезистров под воздействием давления.
Зависимость сопротивления тензомоста 2 от температуры описывается параболой
R
где α, β - корни уравнения параболы, K - коэффициент.
1
Источника тока 1 имеет обратную зависимость тока от температуры с коэффициентами K и α
поэтому напряжение, снимаемое с диагонали питания тензомоста, линейно зависит от температуры
На фиг. 2 приведена блок-схема вычисления давления, которая включает в себя блок 4, в котором осуществляется измерение напряжений с диагоналей тензомоста, блок 5, в котором осуществляется компенсация ассоциативной температурной погрешности, блок 6, в котором осуществляется компенсация мультипликативной температурной погрешности, блок 7, в котором осуществляется вычисление давления с компенсацией нелинейности преобразователя, и блок 8, в котором осуществляется выдача выходного сигнала (данных).
В схеме предусмотрен режим калибровки (блок 9), когда цифровой код напряжений тензопреобразователя передается в ПК для регистрации и дальнейшей обработки (блок 10).
Способ измерения давления основан на вычислении давления по измеренным напряжениям с диагоналей тензомоста путем последовательной компенсации сперва температурной погрешности измерения, которая имеет аддитивную и мультипликативную составляющие, и затем компенсации нелинейности преобразователя на основании коэффициентов, полученных при калибровке.
D0
T
Аддитивная составляющая температурной погрешности представляет собой температурный дрейф нуля выходного напряжения преобразователя V(V) и оценивается при калибровке при минимальном давлении во всем диапазоне рабочих температур и непрерывном измерении напряжений с диагоналей питания и измерения тензомоста.
Дрейф нуля аппроксимируется полиномом 3 степени:
где A0…A3 - коэффициенты полинома дрейфа нуля,
T
P0
V, V - напряжения с диагоналей питания и измерения тензомоста.
Мультипликативная составляющая температурной погрешности преобразователя представляет собой температурный дрейф чувствительности K(VT) и оценивается при калибровке при максимальном давлении во всем диапазоне рабочих температур и непрерывном измерении напряжений с диагоналей питания и измерения тензомоста по формуле
P1
где V - напряжение на измерительной диагонали тензомоста,
P0
T
V(V) - дрейф нуля,
Pmin и Pmax - минимальное и максимальное значения давления.
Дрейф чувствительности аппроксимируется полиномом 3 степени:
где B0…B3 - коэффициенты полинома дрейфа чувствительности.
Компенсация аддитивной и мультипликативной температурной погрешности выполняется по формуле вычисления приведенного напряжения разбаланса тензомоста, которое зависит от давления и меняется от 0 до 1 при изменении давления от минимального до максимального во всем диапазоне изменения температур:
P
где V - напряжение разбаланса тензомоста при давлении Р,
P0
T
V(V) - дрейф нуля,
T
K(V) - дрейф коэффициента чувствительности.
Кроме аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности у интегрального преобразователя давления имеется третья составляющая погрешности - это нелинейность коэффициента чувствительности преобразователя от давления.
Зависимость сопротивления тензорезистора R от давления Р имеет квадратичную зависимость
соответственно приведенное напряжение также имеет квадратичную зависимость
где C - коэффициент.
Давление вычисляется по обратной формуле в виде полинома второй степени
Коэффициент k вычисляется по данным калибровки в НУ и минимальной и максимальной рабочей температуре в нескольких точках установленного давления.
Таким образом для вычисления давления достаточно девяти калибровочных коэффициентов А0…A3, B0…B3 и k.
На фиг. 3 приведен пример термоцикла калибровки.
При калибровке непрерывно регистрируют напряжения на измерительной и питающей диагоналях тензомоста с заданным временным интервалом при изменении температуры от НУ до максимальной рабочей и минимальной рабочей температур и обратно при постоянном давлении отдельно для минимального и максимального значения давления (дуги 1, 3 и 5), а также при изменении давления в НУ и крайних точках термоцикла для заданных значений давления (дуги 2, 4, 6). На основании зарегистрированных данных вычисляют калибровочные коэффициенты компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также погрешности нелинейности преобразователя.
Таким образом, для калибровки достаточно провести один термоцикл в рабочем диапазоне температур для минимального и максимального давлений и снятия характеристик нелинейности преобразователя только в НУ и крайних точках термоцикла при изменении давления для заданных значений. За счет непрерывной регистрации напряжений тензомоста в течение всего термоцикла от минимальной до максимальной рабочей температуры получается большой набор калибровочных данных, по которым коэффициенты полиномов компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей вычисляются с высокой точностью.
На фиг. 4 приведена схема устройства измерения давления для осуществления предлагаемого способа, где 1 - источник тока и 2 - тензомост, объединенные в интегральном преобразователе давления, 11 - АЦП, 12 - вычислительное устройство, 13 - ПЗУ, 14 и 15 - цифровой и аналоговый интерфейсы.
T
P
Источник тока 1 содержит транзистор, который имеет обратную зависимость тока от температуры. Источник тока 1 встроен в интегральный преобразователь давления, который содержит тензомост 2 и осуществляет первичное преобразование измеряемого давления и температуры внешней среды в изменение сопротивления. Изменение сопротивления тензорезистров вызывает изменение напряжений V и V на диагоналях питания и измерения тензомоста, зависящих соответственно от температуры и давления. АЦП 11 преобразует аналоговые сигналы напряжений с тензомоста в цифровой код. Вычислительное устройство 12 осуществляет прием кодов и вычисление давления по калибровочным коэффициентам, рассчитанным при калибровке устройства. Цифровой 14 и аналоговый 15 интерфейсы используются для обмена данными по цифровому каналу и выдачи выходного аналогового сигнала давления в виде напряжения или тока.
Ожидаемый технико-экономический эффект от предлагаемого решения заключается в обеспечении прецизионного измерения давления на основе интегрального преобразователя давления во всем диапазоне рабочих температур и давления при сокращении времени и трудоемкости его калибровки, а также снижении себестоимости устройства измерения давления.
Источники информации
1. Патент РФ 2362132.
2. Патент РФ 2259537.
3. Патент США 7,194,910.
4. Патент РФ 2304762.
5. Патент РФ 2484435 - прототип.