УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВСТРОЕННЫМ В НЕГО ДАТЧИКОМ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ И СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЕГО К ЭКСПЛУАТАЦИИ
PRESSURE MEASUREMENT DEVICE WITH BUILT-IN ANGULAR POSITION SENSOR AND METHOD OF PREPARING SAID DEVICE FOR OPERATION

Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к средствам калибровки устройств измерения абсолютного давления для повышения точности измерения при изменении их углового положения путем компенсации возникающей при этом погрешности, и могут использоваться в нефтяной, газовой, химической и пищевой промышленности и т.п.
Известны средства измерения давления с корректировкой положения сенсоров давления, описанные в з. №2007134458 по кл. G01L 13/02, з.14.09.07, оп. 20.03.09.
Известный датчик давления содержит закрепленный в корпусе элемент измерения положения сенсоров, выполненный в виде упругой прогибаемой пластинки, расположенные с разных сторон ее сенсоры давления в виде двух несообщающихся между собой полостей, по меньшей мере одна из которых заполнена жидкой или газообразной средой, способной воспринимать давление, первый и второй измерительные преобразователи величины прогиба пластинки и вычислительное устройство, причем совокупность величин параметров чувствительных элементов первого измерительного преобразователя величины прогиба связана с величиной прогиба в центральной области пластинки, а совокупность величин параметров чувствительных элементов второго преобразователя величины прогиба связана с величиной прогиба в периферийной области пластинки, параметров.
Известный способ измерения давления (п.3.) содержит этапы, на которых подают первое давление на жидкую или газообразную среду, воздействующую на закрепленную в корпусе упругую прогибаемую пластинку с одной ее стороны, подают второе давление на жидкую или газообразную среду, воздействующую на пластинку с ее другой стороны, или поддерживают с другой стороны пластинки вакуум, измеряют параметры пластинки, включая измерение величины относительного угла прогиба, затем на основе измеренных параметров вычисляют измеряемую величину давления в виде функции измеренных параметров, определенной с условием минимизации влияния на результат вычисления измеряемой величины давления момента силы в области закрепления пластинки, выраженного через величину относительного прогиба пластинки.
Недостатком известных средств служит тот факт, что они могут использоваться только при измерении перепада давлений.
Известны средства для измерения давления, представленные в п. РФ №50096 на полезную модель «Измерительный тонометр для определения давления внутри органов через кожный покров» по кл. А61В 3/16, 5/00, з. 24.06.05, оп. 27.12.05 и выбранные в качестве прототипов.
Известное устройство содержит корпус, установленную в нем подвижную втулку с направляющими и опорой, контактная поверхность которой расположена на расстоянии 7-10 мм от оси свободного падения сенсора давления, представляющего собой шток с плоским основанием площадью 1-7 кв. мм. и выполненного с возможностью упругой деформации органа через его кожный покров, измерительный преобразователь линейного перемещения тела, соединенный с блоком обработки сигнала в виде микропроцессора, датчик углового отклонения оси свободного падения штока от вертикали, установленный горизонтально на плате, расположенной перпендикулярно к оси падения штока, и соединенный через блок обработки с индикатором, представляющим собой средства формирования звукового или светового сигнала-напоминания о положении оси штока.
Известный способ заключается в следующем.
Сенсор в виде штока с контактной площадкой на конце фиксируют в корпусе и размещают его вертикально над органом, давление в котором будет измеряться, (например, на глаз либо на родничок ребенка для измерения соответственно внутриглазного или внутричерепного давления), затем предварительно определяют отклонение оси его падения от вертикали с помощью датчика углового отклонения оси, при отклонении указанной оси от вертикали на 2-6 градусов индицируют неправильное положение измерительного тонометра с помощью включения сигнала-напоминания и корректируют неправильное положение сенсора до рабочего (правильного) положения угловым смещением корпуса тонометра, при достижении правильного положения отключают указанный сигнал-напоминание, выполняют поступательное движение вниз защитного кожуха, делая возможным свободное падение сенсора-штока на веко глазного яблока и деформацию им века и глаза и последующее его отскакивание. При этом преобразователь сигнала сенсора в виде входящих в него средств ограничения перемещения сенсора, проходящего вниз (при его падении вниз) и вверх (при отскоке штока), создает изменение индуктивности катушки, приводящее к изменению частоты генератора, которое фиксируется во времени блоком обработки и преобразовывается в величину перемещения штока относительно подвижной втулки. По параметрам функции перемещения во времени свободно падающего штока (например, по амплитуде первого отскока) судят о величине внутриглазного давления.
Недостаток известных средств измерения заключается в ограниченности их эксплуатационных возможностей, поскольку они могут использоваться только в медицине, и невысокой точности измерения за счет использования ручной корректировки.
Задачей является расширение эксплуатационных возможностей средств измерения и повышение точности измерений.
Поставленная задача решается тем, что:
- в устройстве измерения давления с встроенным в него датчиком углового положения, содержащем размещенный в корпусе на горизонтально расположенной пластине датчик углового положения и последовательно соединенные сенсор давления, преобразователь сигнала сенсора, подсоединенный к входу снабженного устройством памяти блока обработки, выход которого связан с индикатором, согласно изобретению, блок обработки включает в себя снабженные элементами памяти вычислитель давления по коэффициентам характеризации и вычислитель поправки на угловое положение устройства измерения давления, связанные выходами с сумматором, подключенным выходом к индикатору, в качестве датчика углового положения использован угловой акселерометр, последовательно соединенный через аналого-цифровой преобразователь акселерометра с вычислителем поправки на угловое положение устройства измерения давления, при этом аналого-цифровой преобразователь сигнала сенсора давления также соединен с вычислителем давления по коэффициентам характеризации;
- в способе подготовки к эксплуатации устройства измерения давления с встроенным в него датчиком углового положения, заключающемся в том, что предварительно определяют возможную ошибку измерения, фиксируя при угловом положении значения давления с помощью индикатора, и затем производят измерение давления, внося при этом необходимую корректировку в величину замеренного и преобразованного в необходимый вид значения в зависимости от углового положения, согласно изобретению, при определении возможных ошибок измерения предварительно выполняют характеризацию сенсора и запоминают калибровочные коэффициенты при нормальных климатических условиях и атмосферном давлении, а при калибровке углового положения устройства задают определенное количество угловых положений и в каждом угловом положении фиксируют значение Рэтал. давления, замеренное эталонным устройством, и фактически измеренное давление Ризм., сравнивают их и находят ошибку измерения как разность давлений, после чего считывают показания датчика угла и рассчитывают на основе полученной информации коэффициенты коррекции давления в зависимости от углового положения, сохраняют их и при последующих измерениях вносят поправку в измеренные значения давления с учетом коэффициентов коррекции давления и показаний датчика углового положения.
Использование в устройстве измерения давления в качестве датчика углового положения углового акселерометра и выполнение блока обработки из двух вычислителей - давления по показаниям устройства с учетом коэффициентов характеризации и поправки на его угловое положение - и сумматора для прибавления к измеренному значению корректирующей поправки для определенного углового положения устройства измерения позволяет достаточно просто и точно замерить давление с учетом углового положения, т.е. достичь в совокупности заданного результата.
Предварительная характеризация сенсора при нормальных климатических условиях и атмоферном давлении с запоминанием калибровочных коэффициентов и выполнение калибровки углового положения, заключающейся в задании определенного числа угловых положений модуля с помощью специального устройства, дает возможность сравнить показания устройства измерения при вертикальном положении и показания при угловом отклонении, что в совокупности с определением ошибки измерения позволяет получить зависимость дополнительной погрешности измерения давления от показаний датчика положения, рассчитать коэффициенты коррекции давления в зависимости от углового положения и сохранить их для вычисления в режиме эксплуатации поправки на основе показаний датчика положения по рассчитанным коэффициентам и последующего вычисления реального значения давления путем суммирования замеренного значения с вычисленным значением поправки для данного углового положения.
Технический результат - автоматическое внесение поправки в измеряемое давление в зависимости от углового положения модуля.
Заявляемое устройство измерения давления обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как использование в качестве датчика углового положения углового акселерометра, последовательно соединенного через АЦП его сигнала с вычислителем поправки, выполнение блока обработки из снабженных элементами памяти вычислителя давления по коэффициентам характеризации и вычислителя поправки на угловое положение модуля и связанного с их выходами сумматора, соединенного выходом с индикаторным устройством, соединение входов вычислителей с выходами преобразователя сигнала сенсора и выходом аналого-цифрового преобразователя сигнала датчика углового положения, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как предварительная характеризация сенсора при нормальных климатических условиях и атмосферном давлении с запоминанием калибровочных коэффициентов, выполнение последующей калибровки путем задания определенного количества угловых положений датчика, фиксация в каждом угловом положении модуля значений давления Рзад. (давление образцового задатчика), и измеренных модулем давлений Рмод., сравнение их и определение ошибки измерения как разности давлений, расчет коэффициентов коррекции давления в зависимости от углового положения, сохранение их, и внесение при последующих измерениях поправки в измеренные значения давления с учетом коэффициентов коррекции давления, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемые устройство измерения давления с встроенным в него датчиком его углового положения и способ подготовки названного устройства к эксплуатации соответствуют критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые средства могут найти широкое применение в измерительной технике, а потому соответствуют критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где приведены на:
фиг.1 - функциональная схема устройства измерения давления с встроенным в него датчиком углового положения;
фиг.2 - размещение датчика углового положения в корпусе устройства измерения давления;
фиг.3 - функциональная схема калибровки;
фиг.4 - таблица с результатами эксперимента, показывающего степень влияния углового положения на показания модуля измерения давления;
фиг.5 - таблица зависимости показаний акселерометра от изменения углового положения модуля;
фиг.6 - график зависимости дополнительной погрешности от координаты акселерометра;
фиг.7 - таблица с результатами апробации заявляемого способа на практике измерения.
Устройство I измерения давления (фиг.1) содержит последовательно соединенные сенсор 1 измерения абсолютного давления, аналого-цифровой преобразователь 2, вычислитель 3 давления по коэффициентам с встроенным в него элементом 4 памяти, сумматор 5 и индикатор 6.
В устройство I измерения встроен датчик II его углового положения. Датчик II содержит последовательно соединенные сенсор 7 углового положения, представляющий собой угловой акселерометр, аналого-цифровой преобразователь 8. Имеется также вычислитель 9 поправки на угловое положение с встроенным в него элементом 10 памяти, выход которого также подключен к входу сумматора 5. При этом сенсор 7 углового положения размещен в корпусе 11 устройства I измерения на горизонтально расположенной пластине 12 (фиг.2).
Схема III калибровки (фиг.3) включает в себя устройство 13 задания углового положения, эталонное устройство 14 измерения давления, устройство 15 сравнения значений давлений, измеренных устройством I и эталонным устройством 14, блок 16 вычисления ошибки измерения.
Заявляемый способ заключается в следующем.
Предварительно определяют возможные ошибки измерения, для чего предварительно выполняют характеризацию сенсора и записывают калибровочные коэффициенты при нормальных климатических условиях и атмосферном давлении, а при калибровке углового положения устройства задают определенное количество угловых положений и в каждом угловом положении фиксируют значение Рэтал. давления, замеренное эталонным устройством, и фактически измеренное давление Ризм. Сравнивают Рэтал. и Ризм. и находят ошибку измерения как разность давлений. Затем рассчитывают коэффициенты коррекции давления в зависимости от углового положения, сохраняют их и при последующих измерениях вносят поправку в измеренные значения давления с учетом коэффициентов коррекции давления.
Заявляемый способ осуществляется с помощью заявляемого устройства следующим образом.
При подготовке устройства I измерения давления к эксплуатации предварительно выполняют характеризацию сенсора 1 и записывают калибровочные коэффициенты в элемент 4 памяти при нормальных климатических условиях и атмосферном давлении. Затем при калибровке устройства I с помощью схемы III калибровки задают с помощью устройства 13 определенное количество угловых положений устройства I, и в каждом угловом положении устройства I фиксируют значение давления Рэтал. (давление эталонного устройства 14 измерения давления), значение давления Ризм., вычисленное по калибровочным коэффициентам устройства I, а также значение кода акселерометра 7. После чего определяют в схеме 15 сравнения ошибку как ΔР=Рэтал.-Ризм., затем производят в вычислителе 16 нормировку координаты X акселерометра 7 А=Х/norm, где norm - нормировочный коэффициент, принятый равным 1000, и методом наименьших квадратов находят зависимость ΔР(А) и полученные коэффициенты q угла записывают в элемент 8 памяти вычислителя 9.
В процессе работы после вычисления в вычислителе 3 значения давления по полиному, исходя из записанных в элементе 4 памяти коэффициентов и значений кодов давления и температуры, производят поправку на фактическое угловое положение устройства I измерения. При этом для расчета поправки ΔР в вычислителе 9 используют записанные в элементе 8 памяти коэффициенты q угла:
1
2
3
ΔP=q угла 0 + q угла 1 × А + q угла 2 × А + q угла 3 × А + q угла 4 × А + q угла 5 × А, где A+X/norm.
Полученную поправку прибавляют в сумматоре 5 к измеренному значению давления и получают на индикаторе 10 истинное значение давления с учетом углового положения устройства измерения давления.
Подтверждающие результаты измерений приведены в таблицах и на графике (см. фиг.4-7).
В сравнении с прототипом заявляемые средства имеют более широкие эксплуатационные возможности и обеспечивают более точное измерение давления.