СПОСОБ МНОГОТОЧЕЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01L27/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при метрологических исследованиях распределения давления по сечениям и на стенках рабочей части аэродинамических труб, метрологической аттестации последних, испытаниях летательных аппаратов и их отсеков на разгерметизацию и т.д. в условиях, когда изменение температуры среды, окружающей средства многоточечного измерения давлений, вызывает существенные погрешности измерений, обусловленные, прежде всего, температурным дрейфом нуля и температурозвисимой чувствительностью указанных средств.

Многоточечные измерения, в частности при исследованиях распределения давления по поверхности дренированных моделей, сопровождаются изменением в процессе исследований температуры в аэродинамической трубе (например, в пределах 5-60^oС). В настоящее время аэродинамические испытания связаны с большими материальными затратами, поэтому высоки требования к точности и достоверности получаемых результатов.

Известен способ многоточечного измерения давлений электронными модулями в широком диапазоне рабочих температур, по которому входящие в состав модулей полупроводниковые датчики давления калибруют до, во время и после испытаний/исследований объектов, результаты калибровок используют при определении значений давления в точках по показаниям датчиков (см. High Reynolds Numbеr Rеsеаrch/Еditer Donald D. Baals. - NASA СР-2009. - 1977. - Р.86-88).

Однако при использовании этого способа каждый модуль в целях калибровки датчиков во время испытаний/исследований оснащен обеспечивающим одновременное переключение всех датчиков от трасс измеряемого давления к трассе образцового давления механическим пневмопереключателем, увеличивающим размеры модуля и уменьшающим его надежность. При этом также исключена возможность выполнения многократных калибровок всех модулей (при числе точек измерения до 1000 и более) в короткое время, что приводит к увеличению продолжительности аэродинамических испытаний, а следовательно, к повышению их стоимости, снижает точность получаемых результатов.

Известен способ многоточечного измерения давлений модулями полупроводниковых датчиков, в котором датчики давления градуируют как по давлению, так и по температуре заблаговременно, для каждого датчика находят с использованием результатов градуировок функцию обратного преобразования, при испытаниях/исследованиях объектов измеряют температуру t внутри каждого модуля, одновременно регистрируют показания U каждого датчика давления, значения давлений Р в точках определяют, пользуясь функциями обратного преобразования P = f (t, U) (см. Books of Abstracts. International conference "Methods and means for experimental investigations in aeronautics" 22-24 November, 1993. - Zhukovsky, Russia. - P.3-11).

Однако при этом способе метрологическая подготовка модулей включает в себя трудоемкую температурную градуировку всех датчиков давления. Отсутствует возможность выполнения подготовки в короткое время, поэтому способ применяют лишь в зауженном диапазоне рабочих температур (например, 5-35^oС), представляя функции обратного преобразования полиномами второго порядка и обеспечивая при этом приведенную погрешность измерения давлений не более 0,2%.

Известен также способ многоточечного измерения давлений малогабаритными модулями датчиков в расширенном диапазоне рабочих температур (например, 5-45^oС), принятый за прототип, по которому измеряют температуру внутри каждого модуля, контролируют и поддерживают ее постоянной несколько выше максимальной рабочей температуры путем разогрева с помощью нагревательного элемента блоков интегральных чувствительных элементов датчиков давления, градуируют термостабилизированные указанным образом модули при температурах окружающей среды до и после испытаний/исследований объектов, по результатам градуировок для каждого полупроводникового датчика находят функцию обратного преобразования, непосредственно во время испытаний/исследований регистрируют показания датчиков термостабилизированных модулей, значения давлений P в каждой точке определяют с помощью функции обратного преобразования P = ϕ (U), где U - показания датчика давления (см. Измерительная техника, 1994 г., 8, с.43-45).

Однако при использовании указанного способа полностью избавиться от температурных погрешностей не удается в связи с возникновением внутри модулей температурных градиентов, вызванных разностью температур - поддерживаемой постоянной температуры корпуса модуля и меняющейся температуры окружающей модуль среды. Поэтому остаются, хотя и в меньшей мере, термодрейф нуля (например 0,002%/^oС) и термоизмнение чувствительности (например 0,02%/^oС) полупроводниковых датчиков модуля. Это снижает точность измерения давлений на некоторых участках расширенного диапазона рабочих температур и, как следствие, достоверность получаемых результатов.

Задачей изобретения является обеспечение точности измерения давлений малогабаритными модулями полупроводниковых датчиков в широком диапазоне рабочих температур. Техническим результатом является уменьшение температурных погрешностей многоточечного измерения давлений.

Технический результат достигается тем, что в способе многоточечного измерения давлений малогабаритными модулями полупроводниковых датчиков, основанном на градуировании термостабилизированных модулей при температурах окружающей среды до и после испытаний/исследований объектов, регистрации показаний полупроводниковых датчиков давления в условиях, когда при испытаниях/исследованиях температура окружающей модули среды меняется, определении значений давления в точках по показаниям датчиков с использованием результатов градуировок, измеряют температуру среды, окружающей термостабилизированные модули, при испытаниях/исследованиях и градуировках, градуируют термостабилизированные модули также при температурах окружающей среды, соответствующих границам t₁, t₂, t₃,..., t_j, t_j+1,..., t_n, t_n+1 или точкам внутри последовательно расположенных участков Δt₁, Δt₂,..., Δt_j,..., Δt_n широкого диапазона рабочих температур, ограничивая протяженность Δt_j-го участка при величиной Δ_ДОП - допускаемой погрешности измерения давлений, следуя условию

левая часть которого представляет собой символическую запись объединения четырех составляющих погрешности k-го датчика давления модуля, соответственно при t_j≤t<t_j+1 или ω_-t_j-1+(1-ω_-)t_j≤t<ω₊t_j+(1-ω₊)t_j+1, где ω_- и ω₊ - весовые коэффициенты; Δ_S = Δ_S[ϕ_j(U)], Δ_Н = Δ_Н[ϕ_j(U)], Δ_T = Δ_T[ϕ_j(U)] - систематическая, случайная, обусловленная гистерезисом и температурная составляющие погрешности датчика давления, по результатам градуировок находят для каждого датчика функции обратного преобразования P = ϕ₁(U), P = ϕ₂(U),..., P = ϕ_j(U),..., P = ϕ_n(U), отвечающие указанным выше температурным участкам, осуществляют коррекцию функций обратного преобразования, протяженности, числа этих участков и/или оперативную поверку датчиков, выбирают соответствующий температуре среды, окружающей термостабилизированный модуль, участок диапазона рабочих температур, определяют значения давлений с помощью функции обратного преобразования, отвечающей выбранному участку.

Осуществление способа предлагаемым образом, т.е. включение операции измерения температуры снаружи термостабилизированных модулей, градуирование термостабилизированных модулей при температурах окружающей среды, соответствующих границам или точкам внутри последовательно расположенных участков широкого диапазона рабочих температур, ограничивая при этом протяженность каждого участка величиной допускаемой погрешности измерения давлений, нахождение отвечающих этим участкам функций обратного преобразования для каждого датчика, проведение коррекции функций обратного преобразования, протяженности и числа температурных участков и/или оперативной поверки датчиков, выполнение операции выбора, отвечающего измеренной температуре участка диапазона рабочих температур, вычисление значений давления с помощью соответствующей выбранному температурному участку функции обратного преобразования, неизвестно в измерительной технике.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 и 3 приведены полученные экспериментально-расчетным путем данные, подтверждающие достоверность и эффективность в сравнении с прототипом результатов опытной проверки предлагаемого способа.

Устройство (фиг.1) включает малогабаритные модули полупроводниковых датчиков давления 1, многоканальное измерительное устройство 2 с добавочными функциями термостабилизации и градуировки модулей, регистрирующее, вычислительное и управляющее устройство 3, датчики 4 для измерения температуры окружающей модули среды и устройство 5 для создания требуемой температуры среды, окружающей модули, при их предварительном градуировании.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

С помощью терморегуляторов, входящих в состав устройства 2, термодатчиков и нагревательных элементов, которыми оснащены модули 1, осуществляют термостабилизацию последних при градуировках и во время испытаний/исследований объектов. Градуировки проводят, создавая температуру окружающей модули среды с помощью устройства 5, пользуясь при этом средствами градуировки, входящими в состав устройства 2, для подачи образцовых уровней давлений на чувствительные элементы полупроводниковых датчиков. Находят границы или точки внутри последовательно расположенных температурных участков путем задания наибольшего и наименьшего образцовых уровней давлений и увеличения температуры среды, определяя при этом с помощью устройства 3, что искомое значение температуры достигнуто. Далее при этой температуре градуируют модули, управляя процессом с помощью устройства 3: задают образцовые уровни давлений, отвечающие точкам диапазона измерений, приближаясь однократно/многократно к каждой точке сначала с одного края диапазона измерений (прямой ход), а затем с другого края (обратный ход). Устройством 3 регистрируют на выходе устройства 2 сигналы, отвечающие: значениям температуры окружающей модули среды, поступившим от датчиков температуры; значениям образцовых давлений, поступившим от датчиков модулей и от прецизионного датчика, входящего в состав устройства 2 и измеряющего образцовое давление, подаваемое на чувствительные элементы датчиков модулей. Вычисляют коэффициенты функций обратного преобразования индивидуально для каждого датчика. Предварительные градуировки по давлению выполняют при нескольких фиксированных значениях температуры среды, окружающей модули. Эти градуировки могут быть выполнены в течение короткого промежутка времени. Градуируют датчики также до и после испытаний/исследований. При этом на чувствительные элементы датчиков подают через дренажные отверстия атмосферное, а через опорную полость модулей образцовое давление. Измеряют температуру окружающей модули среды, вычисляют значения давлений, используя полученные результаты градуировок и имеющиеся функции обратного преобразования. Сравнивают эти давления с образцовыми давлениями, измеренными прецизионным датчиком. Так осуществляют оперативную поверку датчиков модулей, например, с целью выявления отказавших датчиков. При необходимости результаты градуировок используют по-другому. Находят новые функции обратного преобразования и заменяют ими уже имеющиеся функции и/или добавляют их к уже имеющимся функциям. Одновременно корректируют протяженность и число участков диапазона рабочих температур модулей, расширяя при необходимости этот диапазон. При испытаниях/исследованиях объектов измеряют температуру окружающей модули среды, находят отвечающие этой температуре функции обратного преобразования датчиков. Регистрируют сигналы, поступающие на вход устройства 3 и отвечающие давлению, действующему на чувствительные элементы полупроводниковых датчиков. С помощью найденных функций обратного преобразования, пользуясь зарегистрированными данными, устройством 3, вычисляют значения давлений.

Сведения для расчета параметров устройств, входящих в схему реализации способа, следующие.

Методы расчета датчиков температуры широко известны (см., например, Электрические измерения неэлектрических величин. Л., "Энергия", 1975 г., С. 326-353). Однако при расчете следует принять во внимание, что в целях унификации измерительных каналов устройства 2 (фиг.1) целесообразно для измерения температуры окружающей модули среды применять такие же датчики, которыми пользуются для измерений температуры внутри малогабаритных модулей (см., например, Измерительная техника, 1994 г., 8, С.45). При этом температура по показаниям датчиков будет вычисляться устройством 3 по единому алгоритму и погрешность результатов измерений будет одинаковой.

В качестве устройства 5 может быть использована климатическая камера, термокамера, термостат или даже сосуд Дьюара. В последнем случае функцию нагревательного элемента может выполнить сам малогабаритный модуль, измерение температуры внутри сосуда может быть осуществлено датчиками 4, а устройства 2 и 3 исполнят роль терморегулятора. Однако к устройству 5 предъявляется следующее требование: в процессе градуировки температура окружающей модули среды может меняться не более чем на 1^oС.

Таким образом, в предлагаемом способе во время измерения давлений в точках пространства с помощью приемников/гребенок давлений либо в точках поверхности модели/объекта с помощью дренажных отверстий, соединенных пневмотрассами с термостабилизированными модулями полупроводниковых датчиков давлений, измеряют также температуру внутри полостей, емкостей, отсеков и т.д. , в которых размещены эти модули. Датчики модулей предварительно градуируют по давлению в нескольких точках широкого диапазона рабочих температур. Индивидуальные особенности термодрейфа градуировочных характеристик полупроводниковых датчиков, вообще говоря, требуют избирательного подхода к фиксируемым при градуировках температурам. Однако ограниченные сроки проведения метрологической подготовки вынуждают одновременно градуировать все датчики модуля/модулей и не позволяют чрезмерно увеличивать количество фиксируемых температур. В способе предусмотрено деление широкого диапазона рабочих температур индивидуально по каждому модулю на несколько участков и ограничение их протяженности величиной допускаемой погрешности измерения давлений. Согласно способу при метрологической подготовке модулей путем вычислений с использованием результатов градуировок определяют для каждого полупроводникового датчика несколько функций обратного преобразования. Этими функциями пользуются при испытаниях/исследованиях объектов для определения давлений в точках по показаниям датчиков. Имеется возможность адаптации предполагаемого диапазона рабочих температур к реальному диапазону, который может быть шире предполагаемого. Адаптация осуществляется путем градуирования модулей до и после испытаний/исследований с последующим уточнением посредством вычислений границ участков рабочих температур. В способе предусмотрена возможность оперативной поверки датчиков давлений во время испытаний/исследований объектов.

В институте была осуществлена опытная проверка предлагаемого способа. Соответствующие опытной проверке данные представлены на фиг.2 и 3. На фиг.2 пунктирная кривая соответствует прототипу, сплошная кривая - предлагаемому способу. При многоточечном измерении по прототипу равномерно распределенного поля давлений разных уровней приведенная погрешность Δ измерения давлений увеличивается с ростом температуры t окружающей модуль среды. Так, при 40^oС она превышает 0,4%. Предлагаемый способ характеризуется приведенной погрешностью, не превышающей 0,15-0,2% для 90-100% полупроводниковых датчиков даже при максимальной рабочей температуре. Точность повысилась за счет уменьшения температурных погрешностей.

Пунктирная и штрихпунктирные кривые на фиг.2 иллюстрируют динамику использования результатов градуировок, выполненных до и после испытаний/исследований при многоточечном измерении давлений как по способу, взятому за прототип, так и по предлагаемому способу.

Пусть за время одного испытания/исследования температура окружающей среды изменилась, например, от 16,7 до 44^oС. Если значения давлений определять по показаниям датчиков, пользуясь функцией обратного преобразования, отвечающей первой температуре, то зависимость приведенной погрешности измерения давлений от температуры характеризуется пунктирной кривой. Если для определения значений давлений использовать функцию обратного преобразования, отвечающую второй температуре, то приведенная погрешность меняется в зависимости от температуры по штрихпунктирной кривой, расположенной справа.

При измерении давлений по прототипу правомочно пользоваться как той, так и другой функцией обратного преобразования. Однако такая неоднозначность приводит к снижению точности измерения давлений в первом случае при температурах от 32 до 44^oС, во втором - при температурах от 16,7 до 32^oС. Это связано с тем, что при измерении давлений по прототипу не принимается во внимание температура окружающей модули среды. Как следствие, не определена температурная граница перехода от одной функции обратного преобразования к другой при вычислении значений давления в точках по показаниям датчиков.

Пусть теперь при подготовке дренированной модели к следующему испытанию/исследованию температура среды, окружающей модули, понизилась, например, до 37^oС. Градуировке, проведенной до следующего испытания/исследования, будет соответствовать расположенная слева штрихпунктирная кривая. Далее цикл повторится, и градуировка, проведенная после испытания/исследования, будет отвечать температуре, превышающей 44^oС. Замечаем, что неоднозначность в выборе функции обратного преобразования сохранится. Это опять приведет к снижению точности измерения давлений на некоторых участках диапазона рабочих температур.

Предлагаемый способ многоточечного измерения давлений предусматривает использование результатов градуировок, проводимых до и после испытаний/исследований объектов, для коррекции протяженности и числа участков диапазона рабочих температур модулей. Это способствует повышению точности измерения давлений. Изображенные на фиг.2 фрагменты штрихпунктирных, пунктирной и сплошной кривых, расположенные ниже ординаты, равной 0,1%, демонстрируют возможность снижения в процессе испытаний/исследований приведенной погрешности измерения давлений более чем у 50% полупроводниковых датчиков до величины, меньшей 0,1%, в интервале температур окружающей среды от 5 до 53^oС предлагаемым способом.

Имеющаяся на фиг. 2 горизонтальная штрихпунктирная прямая иллюстрирует возможности современных методов многомерной аппроксимации градуировочных данных в условиях, когда градуировки малогабаритного нетермостабилизированного модуля выполнены по давлению при шести фиксированных температурах.

Следует отметить, что выбор протяженности и числа участков диапазона рабочих температур обусловлен конкретными экспериментальными интегральными температурными характеристиками модулей, прежде всего нелинейными термодрейфом нуля и термоизменением чувствительности, которые бывают весьма разнообразны.

На фиг.3 в качестве примера приведены кривые, отвечающие модулю с весьма необычными температурными характеристиками. Лишь предлагаемый способ многоточечного измерения давлений обеспечивает успешную эксплуатацию этого модуля с приведенной погрешностью 0,15-0,2% для 90-100% полупроводниковых датчиков.

Для получения экспериментально-расчетным путем данных, представленных на фиг. 2 и 3, были выбраны из имеющегося парка созданных в институте малогабаритных модулей давления два модуля ММД 32 (каждый из них содержит 32 полупроводниковых датчика давления) с термостабилизацией, обладающие различными температурными характеристиками. Устройство для реализации предлагаемого способа измерения давлений имитировал стационарный стенд, который предназначен для метрологических исследований модулей.

С помощью стенда оба модуля были неоднократно проградуированы по давлению при целом ряде фиксированных температур окружающей среды, выбранных из диапазона рабочих температур. Результаты градуировок использованы в последующих расчетах.

Рассмотрим, как были получены данные для построения одной из кривых, например показанной пунктиром на фиг.3. Показания каждого датчика давления приводились к единой системе отсчета. Для этого из всех показаний датчика вычиталось показание, полученное при фиксированной температуре 17,5^oС и отвечающее равному атмосферному образцовому давлению. Затем использовались лишь приведенные показания. Для датчиков были найдены оптимальные функции обратного преобразования, соответствующие фиксированной температуре 17,5^oС. Оптимизация функций обратного преобразования выполнялась с использованием минимаксного метода (см., например, Измерительная техника, 1993 г., 2, с.5 и 6). Минимум пунктирной кривой отвечает температуре 17,5^oС, является верхней границей приведенной к диапазону измерений погрешности аппроксимации и характеризует всю совокупность полупроводниковых датчиков модуля. При других фиксированных температурах были найдены отклонения значений давления, вычисленных по показаниям датчиков модуля с использованием оптимальных функций обратного преобразования, от значений образцового давления в точках диапазона измерений. Ординаты точек пунктирной кривой представляют собой приведенную погрешность измерения давлений, характеризующую термостабилизированный модуль при варьировании температуры окружающей среды.

Для построения других кривых (на фиг.2 и 3) данные получены таким же образом, только функции обратного преобразования соответствовали другим фиксированным температурам.

Были также построены отвечающие повторным градуировкам по выборкам объемом N≈200 гистограммы распределения приведенной погрешности измерения давлений. Гистограммы позволили оценить распределение погрешности измерения давлений по датчикам модулей. Было установлено, что свыше 50% датчиков характеризуются погрешностью, меньшей 0,1%, а 90-100% датчиков - погрешностью 0,15-0,2%.

Следует отметить, что экспериментально-расчетная методика, с помощью которой были получены значения приведенной погрешности, зависящие от температуры окружающей модули среды, основана на рекомендованном (см., например, Измерительная техника, 1994 г., 1, с.8-10) для использования в метрологической практике непараметрическом методе получения интервальных оценок пределов погрешности средств измерений. Этот метод имеет строгое теоретическое обоснование (см. Wilks S.S. Determination of sample sizes for setting tolerance limits//Ann. Мath. Statistics. - 1941. - Vol. 12. - Р. 91-96) независимости от вида распределения погрешностей. При объеме выборки N = 32 он обеспечивает доверительную вероятность γ=0,8 получения оценок приведенной погрешности. Заметим также, что используемые для построения кривых на фиг.2 и 3 оценки приведенной погрешности включают в себя составляющие причем случайная составляющая погрешности характеризуется надежностью Р = 0,95.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерений, обеспечивающим исследования распределения давления по поверхности моделей летательных аппаратов. Сущность: осуществляют регистрацию показаний объединенных в термостабилизированные модули полупроводниковых датчиков давления в условиях изменения температуры окружающей модули среды. Проводят градуировку термостабилизированных модулей при температурах среды до и после испытаний/исследований. Определяют с использованием результатов градуировок значения давлений в точках по показаниям датчиков. Дополнительно измеряют при испытаниях/исследованиях и градуировках температуру среды, окружающей термостабилизированные модули. Градуировки также проводят в нескольких точках широкого диапазона рабочих температур, одновременно делят этот диапазон индивидуально по каждому модулю на несколько участков, ограничивая их протяженности величиной допускаемой погрешности измерения давлений. Находят по результатам градуировок функции обратного преобразования, отвечающие температурным участкам индивидуально для каждого датчика давления. Корректируют участки и/или проводят оперативную поверку датчиков. Выполняют операцию выбора участка, соответствующего температуре снаружи модуля, вычисляют значения давления по показаниям датчика с помощью отвечающей выбранному участку функции обратного преобразования. Техническим результатом является уменьшение температурных погрешностей многоточечного измерения давлений. 3 ил.

Способ многоточечного измерения давлений путем регистрации показаний объединенных в термостабилизированные модули полупроводниковых датчиков давления в условиях, когда при испытаниях/исследованиях объектов температура окружающей модули среды меняется, проведения градуировок термостабилизированных модулей при температурах среды до и после испытаний/исследований, определения с использованием результатов градуировок значений давления в точках по показаниям датчиков, отличающийся тем, что измеряют при испытаниях/исследованиях и градуировках температуру среды, окружающей термостабилизированные модули, градуировки проводят также при температурах, соответствующих границам или точкам внутри последовательно расположенных участков Δt₁, Δt₂,..., Δt_n диапазона рабочих температур модулей, ограничивая протяженность каждого участка величиной, допускаемой погрешности измерения давлений, и находят для каждого датчика функции обратного преобразования P = ϕ₁(U), P = ϕ₂(U),..., P = ϕ_n(U), соответствующие указанным температурным участкам, корректируют функции обратного преобразования, протяженность, число участков и/или проводят оперативную поверку датчиков, при определении значений давления Р в точке по показаниям U датчика выполняют операцию выбора участка, соответствующего температуре снаружи модуля, используют результаты градуировок в виде функций обратного преобразования, отвечающих выбираемым температурным участкам.