ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения давления, например в газопроводах. Оно также может быть использовано в устройствах, использующих в качестве чувствительного элемента тензопреобразователи, к которым предъявляются высокие требования по точности преобразования в широком диапазоне воздействующих факторов, таких как изменение окружающей температуры и напряжения источника питания.

Известны датчики давления [2] в которых в качестве чувствительного элемента используются тензопреобразователи, выполненные в виде моста из четырех тензорезисторов, которые сформированы на деформируемой мембране. Основными недостатками, свойственными такому типу датчиков, являются температурная зависимость коэффициента тензочувствительности и начального разбаланса тензомоста, а также влияние дестабилизирующих факторов (изменение окружающей температуры, напряжения источника питания) на схему вторичной обработки выходного сигнала тензомоста.

Известны датчики давления, в которых компенсация температурной зависимости тензочувствительности осуществляется с помощью термокомпенсирующих схем, в которых используются термозависимые элементы (прямосмещенные p-n- переходы, терморезисторы и т. д.) [2, 3] Общим недостатком датчиков с термокомпенсирующими схемами является то, что они исключают (или снижают) только мультипликативную составляющую температурной погрешности (т.е. температурную зависимость тензочувствительности). При этом аддитивная составляющая, связанная с температурной зависимостью начального разбаланса, возрастает пропорционально величине начального разбаланса тензомоста.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому преобразователю является выбранный в качестве прототипа преобразователь давления в электрический сигнал [1] содержащий тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчика давления, температура которой стабилизируется схемой термостатирования. Сигнал, пропорциональный температуре мембраны, снимается с диагонали мостовой схемы, в которой в качестве чувствительного элемента температуры используется сам тензомост, усиливается усилителем и поступает на нагреватель. Информативное (рабочее) напряжение, пропорциональное измеряемому давлению, снимается с выходной диагонали тензомоста и наряду с масштабирующим напряжением (напряжением мультипликативной коррекции), формируемым резистивным делителем, поступает на сигнальные входы переключателя, который последовательно во времени подключает эти напряжения через модулятор к входам дифференциального усилителя. Усиленные переменные составляющие этих напряжений поступают на первый вход сумматора, на второй вход которого подается переменное напряжение с выхода блока ослабления для компенсации начального разбаланса тензомоста. Выходным информационным параметром преобразователя-прототипа является отношение переменных составляющих информативного и масштабирующего напряжений.

Достоинством преобразователя-прототипа является возможность снижения как мультипликативной, так и аддитивной составляющих погрешности преобразования давления за счет стабилизации температуры тензопреобразователя. Температура мембраны обычно стабилизируется на уровне, превышающем на несколько градусов максимальную рабочую температуру окружающей среды и требует определенных затрат мощности источника питания преобразователя. Причем мощность, требуемая для стабилизации температуры мембраны, возрастает при увеличении диапазона температур окружающей среды, массы мембраны, а также при уменьшении теплового сопротивления между мембраной и корпусом датчика. В некоторых случаях это может привести к практической невозможности реализации технического решения, предложенного в устройстве-прототипе, например, в массивных датчиках избыточного давления, разности давлений, применяемых в газопроводах. Кроме того, при увеличении разности температур мембраны и окружающей среды возникают погрешности преобразования давления, связанные с возрастанием градиента температурного поля мембраны. К дополнительным погрешностям преобразования давления приводит также воздействие изменения окружающей температуры на элементы схемы термостатирования и вторичной обработки сигнала тензомоста.

Целью изобретения является повышение точности преобразования давления в широком диапазоне температур окружающей среды, уменьшение мощности, потребляемой преобразователем от источника питания, а также расширение его области применения.

Для достижения указанной цели в преобразователь давления, содержащий тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчика давления, дифференциальный усилитель, сдвоенный переключатель, резистивный делитель, блок ослабления напряжения и сумматор, сигнальные выходы тензомоста подключены к второй паре входов сдвоенного переключателя, один из концов первой пары сигнальных входов которого соединен со средней точкой резистивного делителя, первый конец диагонали питания тензомоста соединен с первой крайней точкой резистивного делителя, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом сумматора, дополнительно введены операционный усилитель, усилитель-сумматор, формирователь опорного напряжения, процессорный блок и формирователь выходного электрического сигнала, сдвоенный переключатель оснащен третьей парой сигнальных входов, один из которых соединен с точкой общего потенциала схемы, а другой с выходом усилителя-сумматора, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя и с вторым концом диагонали питания тензомоста, первый конец которой соединен также со свободным концом первой пары сигнальных входов сдвоенного переключателя, два выхода которого соединены с входами дифференциального усилителя, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к средней точке резистивного делителя, а его неинвертирующий вход соединен с точкой общего потенциала схемы, вторая крайняя точка резистивного делителя подключена к соединенным вместе второму входу усилителя-сумматора, входу блока ослабления напряжения и выходу формирователя опорного напряжения, выход последнего подключен к третьему управляющему выходу процессорного блока, первый и второй управляющие выходы которого соединены с управляющими входами сдвоенного переключателя, выход блока ослабления напряжения соединен с вторым входом сумматора, выход которого подключен к входу процессорного блока, информационные выходы которого соединены с входами формирователя выходного электрического сигнала, при этом выход последнего является выходом преобразователя.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого преобразователя.

Он содержит тензорезистивный мост 2; резистивный делитель 1, с одного плеча которого (резистор R1) снимается напряжение мультипликативной коррекции, а резистор R2, образующий второе плечо делителя, задает величину тока, протекающего через тензомост; операционный усилитель 3; усилитель-сумматор 4, предназначенный для формирования сигнала, пропорционального температуре тензомоста; трехвходовый сдвоенный переключатель 5; дифференциальный усилитель 6; блок ослабления напряжения 7; сумматор 8; формирователь опорного напряжения 10; процессорный блок 9 и формирователь выходного сигнала 11.

В качестве переключателя 5 может быть использована микросхема К561КП1 - сдвоенный четырехканальный мультиплексор.

Формирователь опорного напряжения 10 формирует на своем выходе знакопеременное относительно общего потенциала опорное напряжение (±U_o), изменение знака которого осуществляется управляющим сигналом процессорного блока. В качестве этого формирователя может быть использован, например, логический элемент, изготовленный по КМОП-технологии (например, микросхемы К561ЛН2, К561ЛА7 и др.), выходные логические уровни которого близки к уровням напряжения источника питания. Изменение знака опорного напряжения относительно общего потенциала может быть обеспечено за счет использования в качестве общего потенциала средней точки источника питания этого элемента, организованной, например, с помощью резистивного делителя. В этом случае величина опорного напряжения будет равна половине напряжения источника питания.

Дифференциальный усилитель 6, блок ослабления напряжения 7 и сумматор 8 могут быть реализованы по схеме, приведенной на фиг. 2. Блок ослабления напряжения 7 выполнен на двух логических инверторах DD1 и DD2 (например, из микросхемы К561ЛН2) и резистивном делителе напряжения (R4, R5), включенном между выходами этих инверторов. Подбором коэффициента деления резистивного делителя (K_d) обеспечиваются необходимая величина и знак компенсирующего напряжения (U_к), используемого для компенсации напряжения начального разбаланса тензомоста (при K_d=0,5 величина U_к=0). Сумматор 8 выходных напряжений дифференциального усилителя и блока ослабления напряжения реализован (см. фиг. 2) совместно с дифференциальным усилителем 6. На операционных усилителях DA1, DA2 и резисторах R1-R4 выполнен дифференциальный усилитель напряжений, подаваемых на входы A и B (с коэффициентом усиления K_u). Напряжение U_к, подаваемое на вход повторителя, выполненного на операционном усилителе DA3, передается на выход дифференциального усилителя с единичным коэффициентом передачи и суммируется с усилением в K_u раз напряжением, действующим в это время между входами A и B.

Процессорный блок 9 включает в себя измеритель напряжения, поступающего с выхода сумматора 8; вычислительное устройство и формирователи выходных сигналов. Два выходных сигнала процессорного блока в виде логических уровней напряжения используются для управления переключателем 5, еще один такой же сигнал используется для управления полярностью опорного напряжения, формируемого на выходе формирователя опорного напряжения 10. Информационный выходной сигнал процессорного блока в виде многоразрядного цифрового кода поступает на формирователь выходного электрического сигнала 11. В качестве процессорного блока может быть использована однокристальная микроЭВМ из серии микросхемы типа MCS-96 фирмы "Intel" со встроенным 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для измерения напряжения. Возможна также реализация процессорного блока на отечественных микросхемах, например, К1816ВЕ48, К1816ВЕ51, однако в этом случае измеритель напряжения должен быть выполнен в виде отдельного устройства, например АЦП, или в виде преобразователя напряжение-частота с последующим измерением частоты повторения импульсов в микроЭВМ программным методом.

Формирователь выходного электрического сигнала 11 обеспечивает формирование на выходе преобразователя стандартного унифицированного выходного электрического сигнала. В качестве такого сигнала могут быть использованы аналоговый (в виде напряжения или тока), частотный либо цифровой (в виде последовательного кода) сигналы. При реализации преобразователя давления с унифицированным частотным выходным сигналом формирователь выходного электрического сигнала может быть выполнен в виде управляемого делителя частоты тактового генератора процессорного блока. В этом случае в качестве такого формирователя может быть применена микросхема К588ВИ1 управляемый делитель частоты, коэффициент деления которого задается кодовым сигналом с информационного выхода процессорного блока.

Работает предлагаемый преобразователь следующим образом. Опорное знакопеременное напряжение (±U_o), изменение знака которого осуществляется управляющим сигналом процессорного блока, формируется на выходе формирователя опорного напряжения 10 и обеспечивает формирование трех напряжений: рабочего напряжения (U(+)p

, U(-)p) напряжения мультипликативной коррекции (U(+)мк, U(-)мк) и напряжения температурной коррекции (U(+)тк, U(-)тк) каждое из которых имеет две составляющие (+), (-), соответствующие положительному и отрицательному знакам опорного напряжения. Опорное напряжение через резистор R2 поступает на вход операционного усилителя 3, включенного по схеме инвертирующего усилителя, цепь отрицательной обратной связи которого образована резистором R2 и последовательно соединенными резистором R1 и тензомостом. При этом ток, протекающий через тензомост и резистор R1 равен

Рабочее напряжение, величина которого связана с измеряемым давлением, формируется на сигнальной диагонали тензомоста. Составляющие этого напряжения равны

где
R_тм(t) сопротивление тензомоста;
ε_o(t) начальный разбаланс тензомоста;
ε_p(p,t) переменная составляющая разбаланса тензомоста, связанная с измеряемым давлением (p);
t температура тензомоста.

Напряжение мультипликативной коррекции формируется на резисторе R1. Составляющие этого напряжения равны


Напряжение температурной коррекции формируется на выходе усилителя-сумматора 4, на первый вход которого подается напряжение с выхода операционного усилителя 3, пропорциональное температуре тензомоста, а на второй вход опорное напряжение. Составляющие напряжения температурной коррекции равны.

где
k_c1 и k_c2 коэффициенты передачи усилителя-сумматора по первому и второму входам соответственно.

Напряжение U_p, U_мк и U_тк через сдвоенный переключатель 5 последовательно подаются на входы дифференциального усилителя 6, а с его выхода на первый вход сумматора 8. На второй вход сумматора поступает ослабленное в k_w раз опорное напряжение U_o. Управление переключателем 5 осуществляется управляющими сигналами с выходов процессорного блока. Напряжения на выходе сумматора при положительной полярности опорного напряжения будут равны

где
K_u коэффициент усиления дифференциального усилителя;
k_w коэффициент передачи блока ослабления напряжения;
U_см напряжение смещения дифференциального усилителя.

При отрицательной полярности опорного напряжения составляющие U(-)p

(Σ), U(-)мк(Σ) и U(-)тк(Σ) описываются выражениями, аналогичными выражениям (8), (9) и (10), в которых все слагаемые, за исключением U_см, меняют знак на противоположный.

Величина и знак коэффициента передачи (k_w) блока ослабления напряжения устанавливается при его настройке (см. фиг. 2) таким образом, чтобы обеспечивалась компенсация начального разбаланса тензомоста. Как следует из выражения (8), такая компенсация будет иметь место при выполнении условия

Величина напряжения мультипликативной коррекции устанавливается путем подбора сопротивления резистора R1 примерно равной максимальной величине рабочего напряжения (при максимальном измеряемом давлении):

Напряжение температурной коррекции устанавливается путем соответствующего выбора коэффициентов передачи усилителя-сумматора (k_c1 и k_c2) таким образом, чтобы его изменение в диапазоне окружающей температуры от t_min до t_max происходило в пределах от (при t=t_min до (при t= t_max). При этом операционный усилитель 3 совместно с усилителем-сумматором 4 выполняют функции "активной" мостовой цепи, в которой датчиком температуры является сам тензомост. Сопротивление тензомоста R_тм(t) является функцией окружающей температуры и практически не зависит от измеряемого давления.

Процессорный блок последовательно во времени измеряет составляющие рабочего напряжения, напряжения мультипликативной коррекции, напряжения температурной коррекции и производит расчет двух информационных параметров - рабочего (Y_p) и температурного (Y_т) по следующим формулам:

Как видно из формул (8), (9) и (10), при расчете информационных параметров Y_p и Y_т исключается зависимость последних как от опорного напряжения, так и от напряжения смещения дифференциального усилителя. При этом практически исключается необходимость стабилизации опорного напряжения и напряжения смещения в условиях эксплуатации преобразователя.

Измеряемое давление (p) рассчитывается процессорным блоком по следующим аппроксимирующим формулам:
p=E(Y_т)+L(Y_т)•Y_p+F(Y_т)•Y2p

, (15)
где
E(Y_т), L(Y_т), F(Y_т) параметры, рассчитываемые по значениям Y_т следующим образом:

где
J, E₀₁, E₀₂, E₁₁, E₁₂, E₂₁, E₂₂, E₂₃, E₃₂, L₀₁, L₀₂, L₁₁, L₁₂, L₂₁, L₂₂, L₃₁, L₃₂, F₀₁, F₀₂, F₁₁, F₁₂, F₂₁, F₂₂, F₃₁, F₃₂ постоянные коэффициенты, которые определяются при градуировке конкретного образца преобразователя при нескольких фиксированных значения температуры окружающей среды и заносятся в память процессорного блока.

По полученным значениям измеряемого давления процессорным блоком рассчитывается величина выходного электрического параметра преобразователя (N_x) по формуле:

где
Nminx

минимальное значение выходного электрического сигнала;
ΔN_x диапазон изменения выходного электрического сигнала;
P измеряемое давление;
P_min минимальное измеряемое давление;
Δp диапазон изменения измеряемого давления.

Значения N_x в виде многоразрядного цифрового кода поступают в формирователь выходного электрического сигнала, который формирует на выходе преобразователя стандартный унифицированный аналоговый, частотный или кодовый электрический сигнал.

Таким образом, в предложенном техническом решении за счет использования дополнительного сигнала, пропорционального температуре тензомоста, достигнуто повышение точности преобразования давления в электрический сигнал в широком диапазоне рабочих температур окружающей среды, который ограничивается только эксплуатационными возможностями используемой элементной базы преобразователя. Погрешность преобразования давления определяется точностью аппроксимирующих формул, используемых для описания характеристики преобразования. Кроме этого, за счет индивидуальной градуировки преобразователя при нескольких фиксированных значениях температуры окружающей среды исключены также погрешности преобразования давления, связанные с воздействием изменения температуры окружающей среды на элементы схемы вторичной обработки сигнала тензомоста, имеющие место в устройстве-прототипе.

Использование: для измерения давления. Сущность изобретения: устройство содержит тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчик давления, дифференциальный усилитель, сдвоенный переключатель с тремя парами сигнальных выводов, резистивный делитель, блок ослабления напряжения, сумматор, операционный усилитель, усилитель-сумматор, формирователь опорного напряжения, процессорный блок и формирователь выходного электрического сигнала. Сигнальные выводы сдвоенного переключателя подключены к выходу операционного усилителя через усилитель-сумматор, резистивному делителю, тензорезистивному мосту и точке общего потенциала схемы. Средняя точка резистивного делителя связана с инвертирующим входом операционного усилителя. Выходы сдвоенного переключателя связаны с входом формирователя выходных сигналов через последовательно подключенные дифференциальный усилитель, сумматор и процессорный блок, связанный с сдвоенным переключателем. Формирователь опорного сигнала связан с процессорным блоком и через блок ослабления напряжения - с сумматором. Резистивный делитель подключен к усилителю-сумматору, блоку ослабления напряжения, формирователю опорного сигнала и тензорезистивному мосту. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь давления в электрический сигнал, содержащий тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчика давления, дифференциальный усилитель, сдвоенный переключатель, резистивный делитель, блок ослабления напряжений и сумматор, сигнальные выходы тензомоста подключены к второй паре входов сдвоенного переключателя, один из концов первой пары сигнальных входов которого соединен со средней точкой резистивного делителя, первый конец диагонали питания тензомоста соединен с первой крайней точкой резистивного делителя, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом сумматора, отличающийся тем, что в него введены операционный усилитель, усилитель-сумматор, формирователь опорного напряжения, процессорный блок и формирователь выходного электрического сигнала, сдвоенный переключатель оснащен третьей парой сигнальных входов, один из которых соединен с точкой общего потенциала схемы, а другой с выходом усилителя-сумматора, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя и с вторым концом диагонали питания тензомоста, первый конец которого соединен также со свободным концом первой пары сигнальных входов сдвоенного переключателя, два выхода которого соединены с входами дифференциального усилителя, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к средней точке резистивного делителя, а его неинвертирующий вход соединен с точкой общего потенциала схемы, вторая крайняя точка резистивного делителя подключена к соединенным вместе второму входу усилителя-сумматора, входу блока ослабления напряжения и выходу формирователя опорного напряжения, вход последнего подключен к третьему управляющему выходу процессорного блока, первый и второй управляющие выходы которого соединены с управляющими входами сдвоенного переключателя, выход блока ослабления напряжения соединен с вторым входом сумматора, выход которого подключен к входу процессорного блока, информационные выходы которого соединены c входами формирователя выходного электрического сигнала, при этом выход последнего является выходом преобразователя. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в нем формирователь выходного электрического сигнала выполнен в виде управляемого делителя частоты тактового сигнала процессорного блока.