Устройство для измерения давления и температуры Советский патент 1993 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в. частности к устройствам для измерения давления на объектах, подвергнутых воздействию изменяющейся температуры.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения давления и температуры.

Устройство содержит рабочий стабилитрон 1 с выводами 2, 3, выполняющий функцию чувствительного элемента в процессе измерения давления и температуры, компенсирующий стабилитрон 4, коммутатор 5 с ключевыми элементами 6-11, источник напряжения 12, первую мостовую измерительную схему 13 с резисторами 14-19, вторую мостовую измерительную схему 20 с резисторами 21-24,. блок управления 25 с первым 26, вторым 27, третьим 28, четвертым 29 и пятым 30 выходами, блок измерения давления 31, состоящий из первого 32 и второго 33 нормирующих усилителей постоянного тока, запоминающего устройства (ЗУ) 34, выполненного, например, в виде конденсатора 35 и коммутатора 36 с ключевыми элементами 3.7-39, вычислительного устройства (ВУ) 40, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 41 и цифрового индикатора 42, блок измерения температуры 43, состоящий из первого 44 и второго 45 нормирующих усилителей постоянного тока, ЗУ 46, выполненного, например, в виде конденсатора 47 и коммутатора 48 с ключевыми элементами 49-51 ВУ 52, АЦП 53 и цифрового индикатора 54..

Вывод 2 рабочего стабилитрона 1 подключен к коммутационным входам ключевых элементов 7-, 8 коммутатора 5.

О)

ю

о кэ

Коммутационные входы ключевых элементов 6, 10 соединены с выводом 3 рабочего стабилитрона 1. Коммутационный вход ключевого элемента 11 коммутатора 5 подключен к одному из выводов резистора 21 второй мостовой измерительной схемы 20. Другой вывод резистора 21 соединен с отрицательным полюсом источника питания 12, с одним из выводов резисторов 14, 15 первой мостовой измерительной схемы 13, с одним из выводов резистора 24 второй мостовой измерительной схемы 20:и комму-; ационнум вйхрдом ключевого элемента 9 коммутатора 5. Коммутационный выход ключевого элемента 6 подключен к положиельному полюсуисточника питания 12, к одним из выводив резисторов 18.19 первой мостовой измерительной схемы 13 и к бд- ним из выводов резисторов 22. 23. Другой вывод; резистйра 22 /соединен с одним из входов пёрйого н6р йрую1Цёгр усилителя постойнндгд тока 44 блока измерений температуры 43 и коУд гутациойный выходом ключевых эйементов 8 11 коммутатора 5. Другой вывод резистора 23 подключен к доугйм выЙодаМ резистора 24 и другим входамиёЬйогбi усилителя постоянного тока 44 блок измерениятемпературы 4з; Коммутационный выход ключевого элемента 7 коммутатора 3 соединен с други м1 выводом резистора 14 пёреой мостовой измерительной схемы 13,через её балансирующий резистор; 16- с 1гйм выводом резистора 18 и с од ймИз: входовi первого гдрсто йЪг &тока 32 блока измерения да вйейия 3:1, Другой вход которого г1дДкя|адёнк другому выводу резистора 19 и ерез баййнсйр уюЩий резистор 17 сЬедй- нен с другим выйбдЬм резистора 15 и с рд- яимйй 8.

стабилитрона р ЙЙвьШод которого пбд- к |0м у ёцибНнЬму выходу ключе Ьйго элемента 10 коммутатора 5. ; ; Bbtxti riepBbrp нормирующего: усилителя 32 блокаi измерения Даёлёния 31 соеди- нёй;с оДним из входов ВУ 40. другой в-ход которогб подключён к кбммутаЦибйнйму входу ключёвбго элемента S6 коммутатора 48 ЗУ 46 блока Измерения температуры 43. Выход же ВУ 40 через последовательно со- единённь(е второй Нормирующий усилитель 33, АЦП 41 ко входу Цифрового индикатора 42 и соёдмйен с коммутацйон- ным входом ключевого элемента 39 коммутатора 36, ЗУ 34. Коммутационные выходы ключевых элементов 37-39 коммутатора 36 запоминающего устройства 34 соединены между собой и подключены k бдной из об- кладок конденсатора 35, другая обкладка которой соединена с точкой нулевого потенциала, к которой также подключен коммутационный вход ключевого элемента 37. Коммутационный вход же ключевого элемента 38 коммутатора 36 ЗУ 34 соединён с одним

из входов ВУ 52 блока измерения температуры 43, Установочный вход АЦП 41 подключен к первому выходу 26 блока управления 25, второй выход 27 которого соединен с управляющим входом коммутатора 36 ЗУ

0.. 34,1

. Йыходпё|)вогб нормирующего усилителя постоянного тока 44 блока измерения температуры 43 подключен к Другому входу ВУ 52. Коммутацибнные йыхрды ключевых

5 элементов 49-51 коммутатора 48 ЗУ 46 обь- единёны между собой и подключены к одной из рбкладок конденсатора 47, другая ; ; обкладка которого подкл ючена к точке нуле- вого потенциала. С ней же соединён комму0 тационный вхбД ключевогб элемента 51

коммутатора 48 ЗУ 46. Выход ВУ 52 через

: посйёдовательно соединенные второй нбрмирующий усилитель 45, АЦП 53 ПбДключен

ко входу цифрового индикатора 54 и соеДй5 йен с коммутационным входом ключе&бгр элемента 49 коммутатора 48 ЗУ 46. Установочный вход АЦП 53 блока измерения тём. пёратурь 43 соединен с третьим выходом 28 блока управления 25, четвертый выход 29

0 кртррбгр подключён к управляющему входу

.коммутатора 4S ЗУ 46. Пятый выход 30 блока

управления 25 сЬёдинен с управляющим

вводом коммутатора 5. ; ч :;

Рассмотрим работу устройства дЛя изо мерения давления по структурной схеме.

; Рабочий стабилитрон 1 помещается в

зону измерения. С помощью коммутатора 5,

первой и второй мостовых измерительных

схем 13,20 из блоков измерения давления и

0 температуры 31, 43 и блока управления 25 Процесс измерения давления и температуры разделен во времени на два цикла. При этрм при и мереним этих физических вели- :чйн пройзврдиТся взаимбКбррекция инфбр5 мэЦйрнных сигналов с пбмбщью .еоответствующих нормирующих усилителей постбянного тока 32, 44ЧЗУ 34, 46 и ВУ 40, 52 блоков измерения давления 31 и температуры 43. Например, при измерении дав ле0 ния учитывается ранее сформирбванны.й в предыдущем цикле информационный сигнал (с помощью нормирующего усилителя постоянного тока 44) и заранее запомненный на конденсаторе 47 ЗУ 46 блока изме5 рения температуры 43. Аналогично проводится коррекция информационного сигнала при измерении температуры. В перерыве между измерением по каждому каналу последовательно производится периодическая проверка этих каналов с помощью тестовых сигналов, которые формируются соответственно первой 13 и второй 20 мостовыми измерительными схемами.

При измерении давления АЦП 41 приводится в исходное состояние с помощью импульса, подаваемого на его установочный вход с первого выхода 26 блока управления 25, и снимается остаточное напряжение (с предыдущего цикла) с конденсатора 35 ЗУ 34. Это достигается замыканием конденсатора 35 на точку с нулевым потенциалом с помощью ключевого элемента 37 коммутатора 36 ЗУ 34, управляемого импульсом со второго выхода 27 блока управления 25. После этого блок управления 20 (выход 27) устанавливает ключевой элемент 38 в положение Разомкнуто, ключевой элемент 39 - в положение Замкнуто, ключевые элементы 49, 51 коммутатора 48 ЗУ 46 (выход 29) находятся в положении Разомкнуто, ключевой элемент 50 - в положении Замкнуто, ключевые элементы 8, 9 коммутатора 5 (выход 30)- в положении Разомкнуто, а ключевые элементы 6, 7, 10, 11 -.в положении Замкнуто, Таким образом, к первой мостовой измерительной схеме 13 подключается встречно рабочий 1 и компенсирующий стабилитроны и на выходе этой схемы возникает информационный сигнал, несущий информацию об измеряемых давлении и температуре. При этом резисторы 14, 15 соответственно задают рабочий режим стабилитронов 1,5, резисторы 18, 19 вместе с балансирующими резисторами 16,17 выступают в качестве сопротивлений нагрузки .этих стабилитронов. Напряжения стабилизации стабилитронов 1, 4 выбираются равными по размеру, причем температурный коэффициент напряжения компенсирующего стабилитрона 4 выбирается на несколько порядков меньше.температурного коэффициента напряжения рабочего стабилитрона 1. Это делается в целях исключения дополнительной погрешности измерения давления при изменении, температуры окружающей среды, в которой работает электронно-преобразующая часть устройства.

Так как практически напряжения стабилизации могут быть не равными, с помощью балансирующих резисторов 16,17устанавли- вается нулевое значение сигнала первой мостовой измерительной схемы 13 при принятом нулевом значении давления (1,0 13 Па), Размер измерительных токов, протекающих через стабилитроны 1, 4, выбирается таким, чтобы этот ток не вызывал разогрева кристалла стабилитронов (резисторы 14, 15).

Выходной сигна л, снимаемый с первой мостовой измерительной схемы 13, усиливается первым нормирующим усилителем 32, который подается на один из входов ВУ 4Q. На другой вход подается корректирующее напряжение с конденсатора 47 ЗУ 46

блока измерения температуры 43 (через замкнутый ключевой элемент 50). Это напряжение было сформировано в предыдущем цикле, как это будет показано ниже. С выхода ВУ 40 информационный сигнал за0 поминается на ЗУ 34 (конденсатор 35 заряжается через замкнутый ключевой элемент 39 до размера выходного сигнала ВУ 40) и поступает на вход второго нормирующего усилителя 33, который нормирует входной

5 сигнал в соответствии с принятой шкалой измерения давления и при необходимости выполняет функцию линеаризации номинальной статической характеристики канала измерения давления. Линеаризация

0 может быть осуществлена путем включения в цепь обратной связи усилителя 33 диодно- резисторных элементов, измеряющих коэф- фициент усиления усилителя 33 в зависимости от входного сигнала, Выход- 5 ной сигнал второго нормирующего усилителя 33 преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 41, и информация о давлении отображается на цифровом индикаторе 42. Формирование необходимой зэвисимо0 сти корректирующего напряжения, которое запоминается на конденсаторе 35, осуществляется изменением коэффициента передачи первого нормирующего усилителя 32 и приведением его передаточной характери5 стики к заданному виду. Все это может определяться экспериментальным путем при градуировке канала измерения давления по образцовым средствам при отсутствии воздействия температуры в процессе изготов0 ления, отладки и проверки устройства.

Одновременно с измерением давления . со второй мостовой измерительной схемы 20 формируется тестовый сигнал, т.к. ключевой элемент 11 коммутатора 5 замкнут и

5 резистор 21 подключен к плечу мостовой схемы 20. Этот сигнал усиливается первым нормирующим усилителем 44 блока измерения температуры 43 и поступает на один из входов 52, В данный момент времени на

0 втором входе ВУ 52 отсутствует сигнал коррекции, т.е. на втором входе установлен нулевой потенциал. Выходной сигнал усилителя 44 передается через ВУ 52, усиливается вторым нормирующим усилителем

5 45 и поступает на вход АЦП 53, который по команде блока управления 25 (выход 28) предварительно устанавливается в исходное состояние. Усиленный тестовый сигнал преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 53, и информация, характеризующая

исправность тракта измерения температуры (и его соответствие заданным метрологическим характеристикам по электронно-преобразующей части устройства), высвечивается на цифровом индикаторе.

Аналогично производится цикл измерения температуры. В данном случае по команде блока управления 25 АЦП 41 (выход 26) и АЦП 53 (выход 28) устанавливаются в исходное состояние. Ключевые элементы: б, 7, 10, 11 коммутатора 5, 37, 39 коммутатора 36 ЗУ 34, 50, 51 коммутатора 48 ЗУ 46 находятся в положении Разомкнуто, ключевые элементы 8, 9 коммутатора 5, 38. коммутатора 36 ЗУ 34, 49 коммутатора 48 УЗ 46 находятся в положении Замкнуто. При этом также кратковременным замыканием ключа 51 коммутатора 48 предварительно снимается остаточное напряжение коррекции конденсатора 47 (с предыдущего цикла измерения температуры). При этом рабочий стабилитрон 1 подключается в плечо второй мостовой измерительной схемы 20 в прямом включении, т.е. работает как термодиод. В данном случае такое включение стабилитрона 1 обосновывается практической независимостью его термометрических характеристик от давления и только при высоких размерах давления возникает необходимость коррекции канала измерения температуры ( 10 кгс/см2). Сигнал рассогласования с выхода второй мостовой измерительной схемы 20 усиливается и нормируется первым усилителем 44 и поступает на один из входов ВУ 52, на другой вход которого поступает сигнал коррекции, снимаемый с конденсатора 35 через ключевой элемент 38 ЗУ 34 блока измерения давления 31. Скорректированный сигнал нормируется в соответствии с принятой шкалой температуры вторым нормирующим усилителем 45, преобразуется в цифровой код АЦП 53 и информация о температуре отображается на цифровом индикаторе 54. Одновременно по каналу измерения давления с выхода первой мостовой измерительной схемы 13 поступает тестовый сигнал, так как несмотря на то, что стабилитроны 1, 4 отключены от нее коммутатором 5, мостовая схема 13 (как и мостовая схема 20) постоянно подключена к источнику питания 12. При этом следует учесть, что плечи 14-19 первой мостовой схемы 13, так же как и плечи 21-24 второй мостовой схемы 20, выполнены из стабильных резисторов. Размер же напряжения тестового сигнала первой и второй мостовых измерительных схем 13, 20 выбирается расчетным или экспериментальным путем при проектировании конкретного устройства. Аналогичным образом тестовый

сигнал для проверки канала измерения давления усиливается первым усилителем 32, передается через ВУ 40, усилитель 33, преобразуется АЦП 41 в цифровой кодиотображается на цифровом индикаторе 42, т.е. работа блока измерения температуры 31 аналогична работе блока измерения давления 43. Длительность и последовательность импульсов, поступаемых с блока управле0 ния 25, также выбираются при проектировании конкретных устройств, исходя из эргономических требований съема оператором информации, динамики изменений температуры и давления на реальном объекте,

5 времени сохранения информации на ЗУ 34, 46 (в данном случае на конденсаторах 35,47) быстродействия АЦП 41,53 и т.п. Далее циклы измерения давления и температуры и присущая им проверка каналов измерения

0 этих величин повторяются.

Величина коррекции дополнительных погрешностей этих взаимосвязанных величин позволит также повысить точность измерения давления и температуры и

5 использовать в качестве датчика полупроводниковые элементы, для которых характерна высокая степень чувствительности к разнообразным неэлектрическим величинам, что, в свою очередь, препятствовало

0 широкому их использованию для проведения однофункционалъных и многофункциональных измерений. При этом материально затраты на изготовление датчиков уменьшаются. В качестве таких чувствительных эле5 ментов могут быть использованы не только стабилитроны, но и другие полупроводниковые элементы, например диоды, поли- и монокристаллы германия, кремния, арсенида галия и т.п. Все это расширяет функцио0 нальные возможности устройства.

Введение по каждому каналу измерения (в перерыве между измерениям.и) операции проверки их метрологических характеристик снизит случайные составля5 ющие погрешностей измерения, повысит достоверность измерений.

Малые габариты датчика позволят снимать информацию б двух величинах в объекте, размеры которого задаются размерами

0 такого датчика, что представляет интерес как в решении чисто научно-исследовательских задач, так и при решении многих производственных задач. Единая технология производства устройства позволит создать

5 миниатюрное средство измерения, которое может быть использовано на объектах, где к устанавливаемой аппаратуре предъявляются прежде всего требования обеспечения минимальных веса и габарита, а также повышенной надежности.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения давления и температуры, содержащее рабочий стабилитрон, компенсирующий стабилитрон, первый вывод которого подключен к плечу первой мостовой измерительной схемы, вход которой соединен с источником напряжения, а выход подключен к инфррмациЬн- ному BXQjqiy блока измерения давления и блок измерения температуры. 0 т л и ч а ю- щ е е с я тем. что, с целью повышения точ- ности измерений; оно снабжено коммутатором, второй мостовой измерительной схемой и таймером, причем первый и второй выходы таймера иЬдкпюч ы cootветствей- но к первому и втгорому управляющим входам блока измерения давления, третий и четвертый выходы таймера подключены со- ответст енно к первому и второму управляющим -входам блока; измерения температуры пятый выход таймера подклюУ чей к управляющему входу коммутатора, корректирующий выход блока измерения температуры соединен стретьим управляю1Цйм входом блока измерения давления, корректирующий выход которого подклю- че к третьему управляющему входу блока измерения температуры, информационный вход которого соединен с выходим второй мостовой измерительной схемы; вход кото- ррго подключен к источнику напряжения,

выводы рабочего стабилитрона соединены с соответствующими входами .коммутатора, выходы которого подключены соответствен- но к источнику питания, к плечу второй стовой измерительной схемы и второму выводу компенсирующего стабилитрона.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что в нем каждый из блоков измерения давления и температуры содержит два нормирующих усилителя постоянного тока, запоминающее устройство, вычислительное устройство, аналогр-цифровой преобразователь и цифровой индикаторГпричем в Каждом из блоков измерения давления и температуры информационный вход соответствующего блока соединен с входом nep-j вого норйирующего усилителя, выход

которого подключен к первому входу вычиб- лительного устройства, выход которого через запоминающее устройство связан с корректирующим выходом соответствующего блока, первый упрайляющий вход ко-; торого соединен с установочным входом аналого-цйфрового преобразователя, йто- рой управляющий вход - с управляющим входом запоминающего устройства, третий управляющий вход л- с вторым входом вычислительного устройства, выход которого через второй нормирующий усилитель и аналогр-цифровой преобразователь связан q цифровым индикатором.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления на объектах в условиях изменяющейся температуры. Цель; повышение точности измерений. Сущность изобретения: устройство содержит рабочий стабилитрон, компенсирующий стабилитрон, коммутатор с ключевыми элементами, источник напряжения, первую и вторую мостовые измерительные схемы с резисторами, блок управления, блок измерения давления с нормирующими усилителями, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора с ключевыми элементами, вычислительным устройством, АЦП, индикатором, блок измерения температуры с нормирующими усилителями, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора. Блок управления выполнен в виде таймера. Процесс измерения давления и температуры разделен во времени на два цикла, причем производится взаимокоррекция информационных сигналов давления и температуры. В перерыве между измерени ями осуществляется тестирование измерительных каналов. 1. з. п. ф-лы, 1 ил. (Л