СПОСОБ КОРРЕКТИРОВКИ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ Российский патент 2025 года по МПК G01R27/08 G01D3/28 

Изобретение относится к области цифровой обработки сигнала, в частности к средствам измерения физических величин, реализованных с использованием преобразователей различного принципа действия, и может быть использовано для создания датчиков давления, силы, уровня жидкости и др. высокого класса точности.

Известен способ аналоговой корректировки передаточной характеристики преобразователя физической величины [1], заключающийся в использовании источника напряжения и усилителя, имеющих заданную зависимость характеристик от температуры. Источник напряжения используется для частичной компенсации температурной зависимости нулевого выходного сигнала преобразователя путем суммирования с выходным сигналом через сумматор. Усилитель используется для частичной компенсации температурной зависимости коэффициента передачи путем усиления выходного сигнала после компенсации температурной зависимости нулевого выходного сигнала через сумматор. Недостатками данного способа являются сложность реализации и настройки источника напряжения и усилителя с требуемыми температурными зависимостями характеристик, частичная корректировка передаточной характеристики преобразователя физической величины, а также невозможность корректировки нелинейности передаточной характеристики преобразователя физической величины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ корректировки передаточной характеристики преобразователя физической величины, использующий аналого-цифровое преобразование выходных сигналов датчика давления и температуру и их обработку [2]. Способ цифровой обработки сигнала датчиков давления заключается в цифровой обработке сигналов, соответствующих одновременно двум физическим величинам: давления и температуры. При этом выполняют преобразование выходного напряжения датчика давления А в цифровой код Ad. Выполняют преобразование выходного напряжения датчика температуры В в цифровой код Bd. Цифровой код Ad сравнивают с калибровочными значениями. Посредством кусочной одномерной параболической интерполяции находят соответствующие всем калибровочным температурам эффективные интерполяционные значения величины давления X1. Посредством кусочной одномерной параболической интерполяции для всех калибровочных значений температур получают набор эффективных величин кодов fint. Затем получают физическую величину температуры fint=X2. Затем получают физическую величину давления fint=X1. Полученные в виде цифрового кода величины давления X1 и температуры Х2 выводятся на дисплей или передаются по цифровому интерфейсу для дальнейшей обработки и использования. Недостатками данного способа являются использование кусочной одномерной аппроксимации, что требует большого числа калибровочных коэффициентов, а также невозможность корректировки нелинейности передаточной характеристики преобразователя физической величины.

Технической задачей предлагаемого изобретения является корректировка передаточной характеристики преобразователя физической величины с использованием цифровой обработки оцифрованного выходного напряжения преобразователя физической величины и преобразователя температуры, расположенного в непосредственной близости от преобразователя физической величины, для уменьшения погрешности передаточной характеристики датчика физической величины, реализованного с использованием преобразователя, от исходных 1-5% до величины 0,025% и менее от полной шкалы выходного сигнала в диапазоне температуры от -60°С до +150°С.

Сущность изобретения заключается в следующем. Выходное напряжение преобразователя физической величины и преобразователя температуры, расположенного в непосредственной близости от преобразователя физической величины, преобразуются в цифровой код. Значения цифрового кода физической величины и температуры обрабатываются в микроконтроллере с использованием полиномиальной функции специального вида с целью компенсации температурного дрейфа и нелинейности передаточной характеристики преобразователя. Коэффициенты полиномиальной функции специального вида определяются на основе результатов процедуры калибровки.

Передаточная характеристика преобразователя физической величины характеризуется зависимостью от температуры нулевого выходного сигнала и коэффициента передачи, а также нелинейностью зависимости выходного сигнала от физической величины. Типовая зависимость передаточной характеристики преобразователя физической величины от физической величины и температуры приведена на чертеже Фиг. 1. Номинальная зависимость выходного сигнала преобразователя физической величины от физической величины и температуры представляет собой линейную зависимость выходного сигнала от физической величины при отсутствии зависимости от температуры. Номинальная зависимость выходного сигнала преобразователя физической величины от физической величины и температуры приведена на чертеже Фиг. 2. Типовая погрешность передаточной характеристики преобразователя физической величины от полной шкалы номинальной характеристики выходного сигнала составляет 1-5% в диапазоне температуры от -60°С до +150°С. Типовая зависимость погрешности передаточной характеристики преобразователя физической величины от физической величины и температуры приведена на чертеже Фиг. 3.

Целью предложенного изобретения является корректировка передаточной характеристики преобразователя физической величины с использованием цифровой обработки оцифрованного выходного напряжения преобразователя физической величины и преобразователя температуры, расположенного в непосредственной близости от преобразователя физической величины, для уменьшения погрешности передаточной характеристики преобразователя физической величины, реализованного с использованием преобразователя, до величины 0,025% и менее от полной шкалы выходного сигнала.

Для обработки цифровых кодов физической величины и температуры с целью компенсации температурного дрейфа и нелинейности передаточной характеристики преобразователя используется полиномиальная функция специального вида:

где N - размерность полиномиальной функции по физической величине, М - размерность полиномиальной функции по температуре, DT - цифровой код температуры, DA - цифровой код физической величины, k_i,j, ktr0, ktrT_i, ktrA_j - коэффициенты полиномиальной функции специального вида, DАкорр - код физической величины после коррекции.

Коэффициенты полиномиальной функции специального вида определяются на основе результатов процедуры калибровки. Калибровка включает задание внешнего воздействия на преобразователь физической величины и преобразователь температуры в виде пар значений физической величины и температуры. Количество пар значений физической величины и температуры составляет N×M. После измерения величины выходного напряжения преобразователей физической величины и температуры выполняется преобразование значений выходного напряжения в цифровой код.

Коэффициенты k_i,j полиномиальной функции специального вида рассчитываются в соответствии со следующим выражением:

K = Мс^-1 × DA_ном,

где K - вектор коэффициентов k_i,j, Мс - калибровочная матрица, DA_ном - вектор номинальных значений цифрового кода физической величины.

Калибровочная матрица имеет размерность (N×M)×(N×M) и состоит из значений цифрового кода преобразователей физической величины и температуры, полученных в результате измерения. Калибровочная матрица приведена на чертеже Фиг. 4.

Коэффициенты ktr0, ktrT_i, ktrA_j вычисляются исходя из результатов корректировки передаточной характеристики преобразователя физической величины с использованием полиномиальной функции специального вида.

В результате обработки с использованием полиномиальной функции специального вида погрешность передаточной характеристики преобразователя физической величины относительно номинальной характеристики уменьшается до типовых значений 0,01-0,025% от полной шкалы выходного сигнала в диапазоне температуры от -60°С до +150°С. Типовая зависимость погрешности передаточной характеристики преобразователя физической величины от физической величины и температуры после обработки с использованием полиномиальной функции специального вида приведена на чертеже Фиг. 5.

Предлагаемый способ корректировки передаточной характеристики преобразователя физической величины с использованием цифровой обработки оцифрованного выходного напряжения преобразователя физической величины и преобразователя температуры, расположенного в непосредственной близости от преобразователя физической величины, позволяет выполнять компенсацию как температурного дрейфа, так и нелинейности передаточной характеристики преобразователя физической величины. Количество калибровочных коэффициентов полиномиальной функции специального вида может быть выбрано исходя из вычислительных возможностей микроконтроллера и объема памяти, а также из требований к погрешности передаточной характеристики датчика. Уменьшение погрешности достигается увеличением размерности М по температуре и N по воздействующей физической величине.

На чертеже Фиг. 1 показана типовая зависимость передаточной характеристики преобразователя физической величины от физической величины и температуры.

На чертеже Фиг. 2 показана номинальная зависимость выходного сигнала преобразователя физической величины от физической величины и температуры.

На чертеже Фиг. 3 показана типовая зависимость погрешности передаточной характеристики преобразователя физической величины от физической величины и температуры.

На чертеже Фиг. 4 показана калибровочная матрица.

На чертеже Фиг. 5 показана типовая зависимость погрешности передаточной характеристики преобразователя физической величины от физической величины и температуры после обработки с использованием полиномиальной функции специального вида.

Источники информации:

1. Tsuchiya М., Piquet L.L., Petersen L., Non-linear sensor temperature compensation using summed temperature compensation signals, US 2008024147 (A1).

2. Халабуда Ю.Э., Шурыгин B.A., Дулов E.H., Способ цифровой обработки сигнала датчиков давления, RU 2596073 С2 - прототип.

Изобретение относится к области цифровой обработки сигнала. Способ корректировки передаточной характеристики преобразователя физической величины производится путем измерения выходного напряжения преобразователя физической величины и преобразователя температуры, расположенного в непосредственной близости от преобразователя физической величины, преобразования полученных значений напряжения в цифровую форму с использованием аналого-цифрового преобразователя, обработки полученных значений цифрового кода в микроконтроллере с использованием полиномиальной функции специального вида с размерностью М по температуре и N по воздействующей физической величине. При этом предварительно проводят процедуру калибровки, в процессе которой задают внешнее воздействие на преобразователь физической величины и преобразователь температуры в виде пар значений физической величины и температуры, при этом количество пар значений физической величины и температуры составляет M×N, и проводят измерения выходного напряжения преобразователя физической величины и преобразователя температуры, после измерения выполняют преобразование значений выходного напряжения в цифровой код, после чего определяют калибровочные коэффициенты полиномиальной функции специального вида, и проводят обработку пар значений цифрового кода физической величины и температуры с учетом рассчитываемых коэффициентов полиномиальной функции специального вида. Технический результат - повышение точности цифровой обработки и уменьшение погрешности передаточной характеристики датчика физической величины, реализованного с использованием преобразователя физической величины. 5 ил.

Способ корректировки передаточной характеристики преобразователя физической величины путем измерения выходного напряжения преобразователя физической величины и преобразователя температуры, расположенного в непосредственной близости от преобразователя физической величины, преобразования полученных значений напряжения в цифровую форму с использованием аналого-цифрового преобразователя, обработки полученных значений цифрового кода в микроконтроллере с использованием полиномиальной функции специального вида с размерностью М по температуре и N по воздействующей физической величине, отличающийся тем, что предварительно проводят процедуру калибровки, в процессе которой задают внешнее воздействие на преобразователь физической величины и преобразователь температуры в виде пар значений физической величины и температуры, при этом количество пар значений физической величины и температуры составляет M×N, и проводят измерения выходного напряжения преобразователя физической величины и преобразователя температуры, после измерения выполняют преобразование значений выходного напряжения в цифровой код, после чего определяют калибровочные коэффициенты полиномиальной функции специального вида, и проводят обработку пар значений цифрового кода физической величины и температуры с учетом рассчитываемых коэффициентов полиномиальной функции специального вида.