Преобразователь давления многоканальный
MULTICHANNEL PRESSURE CONVERTER

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения давлений на поверхности изделий дренажным методом.
Известны многоканальные преобразователи давления, в которых используются полупроводниковые чувствительные элементы давления (ЧЭД), изготовленные по интегральной технологии группами на общей подложке. Для уменьшения температурной погрешности ЧЭД преобразователь давления термостабилизируется. Так, например, многоканальный преобразователь - модуль давления ММД24 содержит 24 ЧЭД, размещенные в двух блоках по 12 ЧЭД в каждом. В модуль встроен электронный коммутатор сигналов тензорезисторных измерительных мостов ЧЭД, фольговые нагревательные элементы и два терморезистора. По сигналам одного из них регулируется температура модуля с помощью внешней аппаратуры термостабилизации, другой служит для контроля температуры (см. А.И. Беклемишев, В.Н. Чекрыгин. Многоточечные модули давления // Датчики и системы. - 2004, №3. - С. 9-10).
К недостаткам модуля можно отнести:
- низкий уровень выходных аналоговых сигналов (≤100 мВ), требующий внешних устройств нормализации и аналого-цифрового преобразования;
- необходимость применения внешней аппаратуры термостабилизаци модуля для уменьшения температурной погрешности;
- значительное количество кабельных линий связи модуля с внешней, удаленной (до 100 м) измерительной, терморегулирующей и питающей аппаратурой, снижающее эксплуатационную надежность много-модульной измерительной системы;
- значительные габаритные размеры (66×32×31 мм), не позволяющие, в ряде случаев, встраивать модули в изделия, в частности, в малоразмерные модели летательных аппаратов и их элементы, испытываемые в аэродинамических установках, в том числе и из-за значительных объемов кабельных линий связи с внешней аппаратурой.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является преобразователь давления многоканальный с цифровым выходом (см. Преобразователи давления измерительные многоканальные КДЦ-24. Описание типа средства измерений. Приложение к свидетельству №54034 об утверждении типа средства измерений см. сведения об утвержденных типах средств измерения по адресу www.fundmetrology.ru/10_tipy_si/11/7list.aspx).
В одной конструкции преобразователя объединяются малогабаритные одиночные пьезорезистивные полупроводниковые датчики давления, электронный мультиплексор сигналов тензорезисторных измерительных мостов датчиков давления, схема управления мультиплексором от микроконтроллера, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- невысокую точность измерения давления (0,3%), обусловленную применением одиночных датчиков, определяющих точность измерений, вместо интегральных блоков датчиков давления на общей подложке;
- значительные габаритные размеры (112×40×13 мм), не позволяющие, в ряде случаев, встраивать преобразователи давления в изделие, в частности, в малоразмерные модели летательных аппаратов и их элементы, испытываемые в аэродинамических установках;
- зависимость точности измерения давления от изменения температуры окружающей среды;
- ограниченное количество каналов (до 24-х).
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давления, упрощение конструкции, уменьшение габаритов при одновременном увеличении количества каналов.
Технический результат достигается тем, что в преобразователе давления многоканальном, содержащем датчики давления, мультиплексор их сигналов, блок управления мультиплексором, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, при этом выход мультиплексора соединен с входом измерительного усилителя, выход измерительного усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микроконтроллера, выход микроконтроллера соединен с входом блока управления мультиплексором, выход блока управления мультиплексором соединен с входом мультиплексора, преобразователь содержит термостабилизатор и установленный между датчиками давления и мультиплексором блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления, соединенный с формирователем напряжений питания элементов преобразователя, при этом датчики давления закреплены в теплопроводящем элементе на общей кремниевой подложке, а датчик температуры установлен на поверхности теплопроводящего элемента и подключен к термостабилизатору и мультиплексору.
Термостабилизатор выполнен аналоговым и содержит управляемые нагревательные элементы, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящего элемента, и ПИ-регулятор температуры, соединенный с датчиком температуры и с управляемыми нагревательными элементами.
Теплопроводящий элемент выполнен из ковара в виде О-образной рамки, датчики давления закреплены внутри нее, и от каждого датчика выведен штуцер на внешнюю сторону.
Конструкция блока датчиков давления существенно уменьшает влияние внешних температурных и механических воздействий на кристаллы датчиков давления.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого преобразователя давлений многоканального. Предлагаемый преобразователь давления содержит: датчики давления 1, включающие тензорезисторные чувствительные элементы датчиков давления 2, блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления 3, мультиплексор сигналов датчиков давления 4, блок управления мультиплексором от микроконтроллера 5, измерительный усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь 7, микроконтроллер 8, аналоговый термостабилизатор 9, содержаший управляемые нагревательные элементы 10, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящего элемента, и ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный регулятор) температуры 11. Преобразователь также содержит датчик температуры 12 и формирователь напряжений питания элементов преобразователя 13. ПИ-регулятор температуры 11 соединен с датчиком температуры 12 и с управляемыми нагревательными элементами 10. Датчики давления 1 закреплены в теплопроводящем элементе на общей кремниевой подложке, а датчик температуры 12 установлен на поверхности теплопроводящего элемента и подключен к термостабилизатору 9 и мультиплексору 4. Теплопроводящий элемент выполнен из ковара в виде О-образной рамки, датчики давления 1 закреплены внутри нее, и от каждого датчика выведен штуцер на внешнюю сторону.
Блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления 3 установлен между датчиками давления 1 и мультиплексором 4 и соединен с формирователем напряжений питания элементов преобразователя 13. Выход мультиплексора 4 соединен с входом измерительного усилителя 6, выход измерительного усилителя 6 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход аналого-цифрового преобразователя 7 соединен с входом микроконтроллера 8, выход микроконтроллера 8 соединен с входом блока управления мультиплексором 5, выход блока управления мультиплексором соединен 5 с входом мультиплексора 4.
Преобразователь работает следующим образом: измеряемое в нескольких точках давление приводит к изменению выходного сигнала датчиков давления 1, сигнал преобразуется в блоке пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления 3, далее поочередно мультиплексором 4 выбираются сигналы датчиков, производится усиление сигналов измерительным усилителем 6, преобразование в код аналого-цифровым преобразователем 7 и регистрация в микроконтроллере 8, где рассчитывается текущее давление с учетом коррекции по температуре. Переключение мультиплексора 4 на следующий канал осуществляется микроконтроллером 8 через блок управления мультиплексором 5. Одновременно по показаниям датчика температуры 12 термостабилизатор 11 поддерживает температуру преобразователя постоянной.
Конструкция термостабилизатора позволяет получить низкое тепловое сопротивление нагреватель-рамка и равномерное нагревание преобразователя.
Схема термостабилизатора преобразователя аналоговая, так как в непосредственной близости от малосигнальных цепей датчиков давления использование импульсных (дискретных) схем терморегулятора (широтно-импульсная модуляция (ШМ), частотная модуляция (ЧМ)) ухудшает метрологические характеристики преобразователя давления.
Измерение температуры преобразователя служит для дополнительной цифровой коррекции температурного дрейфа датчиков давления преобразователя.
Благодаря указанным отличительным признакам, в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат:
Повышение точности измерения давления за счет:
- встроенной схемы и конструкции термостабилизатора преобразователя;
- схемы пассивной компенсации температурной погрешности и снижения уровня сигналов начального разбаланса резистивных измерительных мостов датчиков давления;
- дополнительной цифровой коррекции температурной погрешности датчиков давления.
Уменьшение габаритов преобразователя, за счет применения блока кремниевых датчиков давления на кремниевой подложке, вместо одиночных датчиков давления.
Увеличение количества каналов преобразователя при одновременном уменьшении габаритов, за счет конструктивных и технологических решений.
3
n
Размещение преобразователей давления в малоразмерных модулях летательных аппаратов и их элементах, испытываемых в аэродинамических установках, благодаря уникальным массово-габаритным характеристикам преобразователя (0,18 см/канал). Изготовлены опытные образцы многоканальных термостабилизированных преобразователей давления на диапазоны измерения ±5, ±10, ±40, ±100 кПа. Изготовленный преобразователь давления многоканальный содержит блок из 32 кремниевых датчиков давления. Возможно другое количество датчиков - 2, где n выбирается от 4-х до 6-ти.
Исследования опытных образцов преобразователей подтвердили указанные технические результаты. Приведенная к диапазонам погрешность измерения давления составила ±0,25% для диапазонов ±5, ±10 кПа и ±0,2% для диапазонов ±40, ±100 кПа.
Увеличено количество каналов измерения до 32. Уменьшены габаритные размеры преобразователя (53,2×13,2×9,5 мм).