Преобразователь сигнала сенсора в датчике давления

Полезная модель относится к электронным схемам и может быть использована в измерительной технике, а именно, в измерителях температуры, давления, расхода и т.п.
Известен преобразователь сигнала сенсора, представленный в п. РФ №75806 по кл. H03F 3/45, з. 28.03.2008 г, оп. 20.08.2008 г.
Устройство включено между выходом сенсора и входом длинной линии. Оно содержит последовательно соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, устройство 2 коррекции характеристик сенсора, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3, а также средство связи по протоколу HART в виде последовательно соединенных HART-модема 4 и сумматора 5, а также формирователь 6 токового сигнала, источник 7 опорного напряжения и блок 8 питания. При этом выход формирователя 6 соединен с первым выводом длинной линии, входы источника 7 опорного напряжения соединены соответственно с плюсовой клеммой, входом формирователя 6 токового сигнала и с минусовой клеммой, а выход - со вторым выводом длинной линии связи. Входы HART-модема 4 подключены к длинной линии и к выходу устройства 2 коррекции характеристик сенсора. Выход ЦАП 3 соединен со вторым входом сумматора 5, подключенного выходом ко второму входу формирователя 6 токового сигнала.
Устройство обеспечивает подготовку сигнала сенсора для передачи в длинную линию путем его последовательного преобразования из цифрового сигнала в токовый, однако является достаточно сложным.
Известны способ и устройство преобразования сигнала с сенсора, представленные в п. РФ №2596073 по кл. G01L 27/00, з. 17.09.2014 г, оп. 27.08.2016 г.
Заявленный способ реализации калибровки двухпараметрического датчика осуществляется посредством следующих элементов: 1 - мостовой датчик давления, имеющий зависимость сопротивления от температуры, 2 - измерительный токовый шунт-датчик температуры, 3 и 4 - аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), 5 - микропроцессорный узел цифровой обработки сигнала. Недостаток устройства заключается в следующем.
Из-за применения в устройстве сигма-дельта АЦП для получения требуемой эффективной разрядности в 16-18 бит для высокоточных современных датчиков давления, скорость преобразования сигнала сенсора ограничена, как правило, в пределах 20-30 Гц. Такие датчики применимы только в области медленно меняющегося давления и малоприменимы в приложениях, требующих измерения быстро меняющегося и циклического давления, с частотой сопоставимой или больше чем скорость преобразования АЦП, требующие настройки дампинга (постоянной времени фильтра первого порядка), задерживая время установления выходного сигнала для исключения влияния шумов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является преобразователь сигнала, представленный в п. РФ №19324 по кл. G01L 9/04, з. 03.01.2001 г., оп. 20.08.2001 г. и выбранный в качестве прототипа.
Формула его имеет следующий вид.
Преобразователь давления в электрический сигнал, содержащий последовательно соединенные сенсор давления в виде сформированного на мембране датчика давления тензорезистивного моста, сдвоенный переключатель, аналого-цифровой преобразователь, процессор и формирователь выходного сигнала, а также связанное с процессором постоянное запоминающее устройство, причем второй выход процессора подключен к управляющему входу сдвоенного переключателя, соединенного вторым входом с одной из диагоналей тензорезистивного моста сенсора, отличающийся тем, что процессор и постоянное запоминающее устройство являются перепрограммируемыми, причем постоянное запоминающее устройство выполнено в виде отдельного узла, выход которого соединен со вторым входом процессора, а вход - с третьим выходом процессора, четвертый выход которого подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя, выполненного многоканальным в виде единого узла со сдвоенным переключателем, формирователь выходного электрического сигнала представляет собой цифроаналоговый преобразователь, а вторая диагональ тензорезистивного моста сенсора связана с третьим входом сдвоенного переключателя через резистор.
Недостатком вышерассмотренного преобразователя является тот факт, что в нем величина напряжения в диагонали моста преобразуется с помощью АЦП в цифровой код, который далее применяется для расчета давления с помощью процессора. При этом начальное смещение сигнала сенсора влияет на результат измерений, ухудшая точность измерений. Преобразователь требует применения прецизионного резистора для измерения по второму каналу измерения температуры и перестройки коэффициента усиления в АЦП при измерении напряжения на резисторе, что приводит к необходимости дополнительной калибровки канала усиления АЦП, требующей от 3-х до 6-ти циклов преобразования АЦП и как следствие, это приводит к простоям в преобразовании сигнала сенсора в цифровой код. Существенным недостатком прототипа является взаимная зависимость смещения и наклона передаточной характеристики сенсора от температуры, что приводит к трудно устранимой дополнительной температурной погрешности.
Задачей предлагаемой полезной является повышение точности измерения по сравнению с рассмотренным выше прототипом.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе сигнала сенсора в датчике давления, содержащем последовательно связанные между собой сенсор давления в виде сформированного на мембране датчика давления измерительного резисторного моста, преобразователь сигнала, снимаемого с сенсора, процессор, связанное с ним запоминающее устройство и источник питания, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, в него введены дополнительно четыре аналоговых ключа, зарядный конденсатор, ключ заряда конденсатора и компаратор, при этом каждое из четырех плеч моста соединено с входом одного из четырех аналоговых ключей, выходы которых соединены одновременно с обкладкой зарядного конденсатора, вторая обкладка которого заземлена, с ключом заряда конденсатора, подключенным к одному из выходов блока управления, и через компаратор - с преобразователем сигнала, в качестве которого использован время-цифровой преобразователь, связанный через блок управления с процессором, снабженным запоминающим устройством, при этом управляющие входы аналоговых ключей соединены с выходами блока управления, а тип питания сенсора импульсным током вместо постоянного.
Введение в преобразователь дополнительно четырех аналоговых ключей, зарядного конденсатора, ключа заряда конденсатора и компаратора при соединении в заявляемом преобразователе каждого из четырех плеч моста через соответствующие аналоговые ключи с зарядным конденсатором, подключенным через ключ к блоку управления, и через компаратор - к преобразователю сигнала, в совокупности с использованием в качестве последнего время-цифрового преобразователя, связанного через блок управления с процессором, снабженным запоминающим устройством, при том, что управляющие входы аналоговых ключей соединены с выходами блока управления, а питание сенсора импульсным током от зарядного конденсатора делает схему нечувствительной к начальному смещению сигнала мостового сенсора, обеспечивает независимость корректировки величин смещения и усиления передаточной характеристики сенсора при температурных воздействиях на сенсор вследствие особенностей применяемого метода измерения, что дает возможность решить поставленную задачу по увеличению точности измерений сигнала сенсора при воздействии на него давления. Технический результат - повышение точности измерения.
Заявляемый преобразователь обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как наличие в нем дополнительно четырех аналоговых ключей, зарядного конденсатора, ключа заряда конденсатора и компаратора, соединение каждого из четырех плеч моста с входом одного из четырех аналоговых ключей, соединение выходов ключей одновременно с обкладкой зарядного конденсатора, вторая обкладка которого заземлена, с ключом заряда конденсатора, подключенным к одному из выходов блока управления, и через компаратор - с преобразователем сигнала, использование в качестве преобразователя время-цифрового преобразователя, связь его через блок управления с процессором, снабженным запоминающим устройством, соединение управляющих входов аналоговых ключей с выходами блока управления, выполнение источника питания сенсора импульсным, обеспечивающим в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый преобразователь сигнала сенсора в датчике давления может найти широкое применение в измерительной технике, а именно, в измерителях температуры, давления и т.п.и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - функциональная схема устройства;
- фиг. 2 - диаграмма, поясняющая принцип измерения преобразователя.
Преобразователь сигнала сенсора в датчике давления выполнен следующим образом.
1-4
1-4
Преобразователь содержит мостовой сенсор 1 из четырех плеч-резисторов 2, каждый из которых подключен к входу аналоговых ключей соответственно 3, выходы которых соединены с зарядным конденсатором 4, компаратором 5 и аналоговым ключом 6, а управляющие входы аналоговых ключей 3 и 6 подключены к блоку 7 управления. Выход компаратора 5 подключен к входу время-цифрового преобразователя (ВЦП) 8, выход которого подключен к блоку 7 управления. Выход блока 7 управления соединен с процессором 9, имеющим внешний интерфейс 10 для связи с другими устройствами и с внутренним запоминающим устройством 11.
Конструктивно преобразователь выполнен на микросхеме PS09 (https://ams.com/ps09), представляющей собой интегральное решение, где все компоненты, за исключением мостового сенсора 1 и конденсатора 4, объединены в одной микросхеме. Внешний интерфейс 10 микросхемы PS09 SPI/I2C служит для связи с внешним микроконтроллером (на чертеже не показан). Преобразователь работает следующим образом.
1-4
1-4
1-4
1-4
Конденсатор 4 заряжается от блока 7 управления 6 через аналоговый ключ 6 и поочередно разряжается через аналоговые ключи 3 и резисторы 2 плеч мостовой схемы. Компаратор 5 при этом формирует стоповые импульсы измерения интервала разряда конденсатора 4 для измерения временного интервала разряда конденсатора 4 через каждый резистор 2 сенсора посредством ВЦП 8. Блок 7 управления формирует необходимую последовательность и временную диаграмму срабатывания аналоговых ключей 3 и 6, необходимую для заряда и разряда конденсатора 3 и измерения времени его разряда через каждый резистор 2 мостовой схемы. ВЦП 8 измеряет интервалы времени разряда конденсатора 4 и передает их в процессор 9. Процессор 9 вычисляет разность интервалов времени разряда конденсатора 4 для двух плеч, которая зависит от приложенного к сенсору 1 давления и сохраняет полученный код давления в запоминающем устройстве 11, откуда его может прочитать внешнее устройство через интерфейс 10 (см. диаграмму, поясняющую принцип измерения, на фиг. 2).
1-4
Информационным параметром, зависящим от давления в схеме измерения, является интервал разницы времени разряда (показан как "400ns" на фиг. 2) конденсатора 4 через резисторы 2 полумостов. Точность данного метода измерения зависит от величины разрешения ВЦП 8, которая достигает у доступных на рынке микросхем ВЦП величины в 17 пикосекунд (эффективное разрешение 13 бит). Для повышения эффективной разрядности цифрового кода, формируемого ВЦП 8 на 5-7 разрядов, применяется режим многократных измерений с усреднением. Время цикла заряда/разряда конденсатора 4 составляет примерно от 60 до 150 микросекунд, и делая многократные замеры за цикл преобразования сигнала сенсора 1 и усредняя процессором полученный код, получаем необходимую нам разрядность преобразования. Преобразователь способен работать на частоте преобразования до 10 кГц.
Преимуществом применения ВЦП вместо АЦП является также то, что скорость преобразования допускается от единиц Гц до единиц кГц с более низкими потерями эффективной разрядности и без потерь времени на периодическую калибровку, необходимую для АЦП.
В сравнении с прототипом заявляемый преобразователь обеспечивает более точное измерение давления без задержек.