Устройство для измерения давления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления (силы, деформации ) и температуры с повышенной точностью . Сущность изобретения: устройство содержит источник питания, термочувствительный мост, в одно из плеч которого включена диагональ питания тензорезисторного моста, микропроцессорное вычислительное устройство, постоянное запоминающее устройство , аналоговый коммутатор, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор. В предлагаемом устройстве реализована возможность измерения напряжений в измерительной диагонали термочувствительного и тензорезисторного мостов и напряжения питания. В результате совместной обработки в микропроцессорном вычислительном устройстве кодов трех напряжений искл Ю- чается погрешность измерения от нестабильности источника питания, вычисляются и выводятся на цифровой индикатор 9 значения давления (силы, деформации) и температуры . 3 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 l9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4709047/10 (22) 23,06.89 (46) 07,03,93. Бюл. N 9 (71) Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения АН СССР (72) В.В.Воловский и Ю.В,Сохатюк (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1377633, кл, G 01 1 9/04, 1988.

Авторское свидетельство СССР № 1229565. кл. G 01 В 7/18, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления (силы, деформации) и температуры с повышенной точностью. Сущность изобретения; устройство содержит источник питания, термочувствиИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления, силы и деформации, а именно к измерителям, построенным на базе тензорезисторн ых мостов.

Цель изобретения — повышение точности измерений, Это достигается тем, что в устройство, содержащее резистивную мостовую схему, в которой в одно плечо включен одной своей диагональю тензорезисторный мост, и дифференциальный усилитель, причем входная диагональ резистивной мостовой схемы подключена к источнику питания, введены дополнительный резистор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор с цифровым индикатором и постоянным запоминающим устройством, при этом дополнительный постоянный резистор

„„5U ÄÄ 1800298 А1 тельный мост, в одно из плеч которого включена диагональ питания тензорезисторного моста, микропроцессорное вычислительное устройство, постоянное запоминающее устройство, аналоговый коммутатор, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор. В предлагаемом устройстве реализована возМо>KHocTb измерения напряжений в измерительной диагонали термочувствительного и тензорезисторного мостов и напряжения питания. В результате совместной обработки в микропроцессорном вычислительном устройстве кодов трех напряжений исклЪзчается погрешность измерения от нестабильности источника питания, вычисляются и выводятся на цифровой индикатор 9 значения давления (силы, деформации) и температуры. 3 ил. включен в плечо резистивной мостовой схемы последовательно с одним из резисторов, образующих плечи резистивной мостовой схемы, выход которой подключен к первому и второму входам коммутатора. выход тензорезистивного моста подсоединен к третьему и четвертому входам коммутатора, точка соединения дополнительного и основного резисторов соединена с пятым входом коммутатора, причем первый и второй выходы коммутатора соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя, вы° ход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом микропроцессора, причем первый выход микропроцессора соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, второй, третий и четвертый выходы микро- процессора соединены соответственно с

1800298 шестым, седьмым и восьмым управляющими входами коммутатора.

Сущность изобретения состоит в том, что при питании тензорезисторного моста от источника тока, напряжение в диагоналях моста зависит как от измеряемой величины (например, давления), так и от температуры. Напряжение на диагонали питания тенэорезисторного моста зависит в основном от температуры и в малой степени от измеряемой величины. Напряжение на измерительной диагонали тензорезисторного моста, наоборот, в основном зависит, от измеряемой величины и в малой степени от температуры. Кроме того, оба эти напря- 15 жения зависят от тока питания. Таким образом, передаточные характеристики тензореэисторного моста могут быть представлены в следующем виде;

U 1=F (P Т; 1) 20

Up= Fg(P; Т, 1), (1) где U> — напряжение в измерительной диагонали тензорезисторного моста;

U2 — напряжение в диагонали питания тензорезисторного моста (напряжение в из- 25 мерительной диагонали термочувствительного моста);

I — ток питания тензорезисторного моСта;

Т вЂ” температура; 30

P — давление.

Каждой совокупности давления (силы, деформации) и температуры однозначно соответствует совокупность двух напряжений

01 и 02, В предлагаемом устройстве реали- 35 зовэна возможность измерения напряжений в обоих диагоналях и напряжения питания тензорезисторного моста. Совместная обработка трех напряжений дает воэможность вычислить давление и 40 температуру, исключая погрешность от изменения тока питания.

Введение в известный тензопреобразователь микропроцессорного вычислитель ного устройства, аналого-цифро о о "5 преобразователя, постоянного запоминающего устройства и цифрового индикатора необходимо для реализации цифровой коррекции результатов измерения по температуре и току питания с последующим 50 представлением реальных значений давления (силы, деформации) и температуры в цифровой форме.

Введение постоянного запоминающего устройства необходимо для хранения инди- 55 видуальных грэдуировочных. коэффициентов тензорезисторного моста и программы вычислений, Введение дополнительНого резистора необходимо для получения на нем падения напряжения, пропорционального напряжению питания, Выбор же соответствующего дополнительного резистора позволяет получить на нем падение напряжения, близкое к напряжениям в измерительных диагоналях тензорезисторного и термочувствительного мостов, Введение коммутаторов позволяет, испол ьзуя один дифференциальный усилитель и один аналого-цифровой преобразователь, путем последовательных переключений проводить усиление и преобразование трех напряжейий. Микропроцессорное вычислительное устройство позволяет, не изменяя конфигурации схемы, а лишь за счет изменения программы вычислений и набора градуировочных коэффициентов, учесть нелинейность выходных напряжений тенэорезисторного моста и не требует индивидуальной. настройки устройства.

Дополнительное введение в известный тензопреобразователь аналогового коммутатора.. микропроцессорного вычислительного . устройства, постоянного запоминающего устройства, аналого-цифрового преобразователя, цифрового индикатора и дополнительного резистора достаточно для упрощения тензоп реобразователя и его настройки. а также расширения функциональных возможностей за счет одновременного измерения давления (силы, деформации) и температуры, На фиг, 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 — графики зависимости напряжЕния в измерительной диагонали тензорезисторного моста от приложенного давления и температуры; на фиг.3 — графики зависимости напряжения в измерительной диагонали термочувствительного моста от температуры и приложенного давления.

Устройство, представленное на фиг.1, состоит из источника 1 питания, термачувствительного моста 2, тензорезисторного моста 3, аналогового коммутатора 4, дифференциального усилителя 5, аналого-цифрового преобразователя 6, микропроцессорного вычислительного устройства 7, постоянного запоминающего устройства 8, и цифрового индикатора 9.

Источник питания включен в диагональ питания термочувствительного моста 2, состоящего из включенного в одно иэ плеч тензорезисторного моста 3, а также постоянных резисторов R1, R2, R3 и R4, Измерительная диагональ тензорезисторного моста 3 подключена к каналам ЗА и ЗВ коммутатора 4, Измерительная диагональ термочувствительного моста 2 подключена к каналам 1А и 1В коммутатора 4. Дополнительный резистор R2 соединен с каналами

1800298

2А и 2В, причем каналы 1А и 2В соединены между собой. Выходы коммутатора 4 соединены с входами дифференциального усилителя 5, выход которого соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя 6. Цифровой выход преоб разователя 6 соединен е первым входом микропроцессорного вычислительного устройства ?, со вторым входом которого соединено постоянное запоминающее устройство 8. Выходы микропроцессорного вычислительного устройства соединены с входом "Запуск" аналого-цифрового преобразователя 6, входами управления коммутатора 4 и цифровым индикатором 9, Устройство работает следующим образом.

Процесс измерения складывается из пяти тактов, В первом такте с микропроцессорного вычислительного устройства на входы С1 и С2 коммутатора подаются уровни напряжений, соответствующие логическому. нулю, а на вход V — логической единицы. Открываются каналы 1А и 1В коммутатора 4. Таким образом, в первом такте к входу дифференциального усилителя 5 подключается измерительная диагональ термдчувствительного моста 2 (производится измерение напряжения Ui). Усиленное напряжение Vz поступает на аналоговый

, вход преобразователя 6, где по сигналу "Запуск" с выхода микропроцессорного вычислительного устройство напряжение Uz преобразуется в двоичный код. Код, соответствующий значению напряжения Uz, записывается в резидентную оперативную память микропроцессорного вычислитель.ного устройства 7.

Во втором такте на входе С1 коммутатора 4 устанавливается уровень логической единицы, открь1ваются каналы 2А и 2В коммутатора 4. Дальнейшая работа устройства аналогична первому такту и в резидентную память микропроцессорного устройства 7 записывается код, соответствующий значению напряжения 0з, т.е, падению напряжения на дополнительном резисторе R2.

В третьем такте на входе С1 устанавливается уровень логического нуля, а на входе С2 — уровень логической единицы, открываются каналы ЗА и 3В коммутатора 4.

Дальнейшая работа устройства аналогична первому такту, и в резидентную память микропроцессорного вычислительного устройства записывается код, соответствующий напряжению U> на измерительной диагонали тензорезисторного моста 3.

В четвертом такте в микропроцессор. ном вычислительном устройстве 7 производится вычисление значений давления (силы, ся).

На пятом этапе вычислений проверяет45 ся условие

I Рз-Р4 1<Л Р, (2) где ЛР— величина, определяемая требуемой точностью вычислений.

50 - Если условие (2) выполняется, начинается шестой этап вычислений.

На шестом этапе вычисляется значение давления P:

Р=(Рз-P4)/2 (3)

По градуировочным коэффициентам — напряжению Uz и давлению Р— вычисляется

l значение соответствующей ему температуры Т. Если условие (2) не выполняется, вычисления повторяются с третьего этапа, т.е. деформации) и температуры, Вычисления могут производиться, например, методом последовательных приближений в шесть этапов.

5 На первом этапе производится исключение дополнительной погрешности измерения, вызванной отклонением напряжения питания от напряжения при градуировке.

Из постоянного запоминающего устройства

10 8 извлекается код, соответствующий значению напряжения U3, при котором производилась градуировка, и сравнивается с кодом, соответствующим коду 0з, хранящемуся в оперативной памяти микропроцес15 сорного вычислительного устройства 7.

Вычисляются значения напряжений U> и (Uz, соответствующего напряжению Оз, при

l котором проводилась градуировка. Двоич20 ные коды, соответствующие U< и Uz, запиI сываются в оперативную память микропроцессорного вычислительного устройства вместо U> и Vz и используются в дальнейших вычислениях.

25 На втором этапе вычислений по градуировочным коэффициентам и значению напряжения U> вычисляются два значения давления Р1 и Р2, соответствующие минимальной и максимальной температурам ра30 бочего диапазона.

Вычисления с третьего этапа производятся циклически. На третьем этапе вычислений по значениям Р1 и Рр; градуировочным коэффициентам и значе35. нию напряжения 0 g вычисляются два зна1 чения соответствующих им температур Т1 и

Т2.

Ка четвертом этапе по вычисленным

Значениям температур вычисляются коэффициенты, а по ним и напряжению

40 U> вычисляется новая пара значений давле-! ния Рз и Р4. Как видно на фиг. 2 и 3, на этом этапе происходит резкое сужение диапазона давлений (процесс вычислений сходит1800298 с начала цикла. Как показала практика, для вычисления давления с точностью 0,1 требуется провести 2-3 цикла вычислений, Это соответствует определению температуры с точностью до 0,5 С, По окончании вычислений пары значений давления и температуры в пятом такте измерения значения давления и температуры выводятся и фиксируются на цифровом индикаторе,амикропроцессорное вычислительное устройство начинает новый цикл измерения давления и температуры с первого такта.

Такое выполнение устройства позволяет повысить точность измерений, упростить устройство и его наладку, а также расширить функциональные воэможности за счет одновременного измерения давления (силы, деформации) и температуры.

Формула изобретения

Устройство для измерения, давления, содержащее резистивную мостовую схему, в которой в одно плечо включен одной своей диагональю тензорезисторный мост, и дифференциальный усилитель, причем входная диагональ реэистивной мостовой схемы подключена к источнику питания, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены дополнительный резистор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор с циф5 ровым индикатором и постоянным запоминающим устройством, при этом дополнительный постоянный резистор включен в плечо резистивной мостовой схемы последовательно с одним из резисторов, 10 образующих плечи резистивной мостовой схемы, выход которой подключен к первому ,и второму входам коммутатора, выход тензорезистивного моста подсоединен к третьему и четве ртому входам коммутато ра, точка

15 соединения дополнительного и основного резисторов соединена с пятым входом коммутатора, причем первый и второй выходы коммутатора соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя, вы20 ход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом микропроцессора, причем первый выход микропроцессора соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, 25 второй, третий и четвертый выходы микропроцессора соединены соответственно с шестым, седьмым и восьмым управляющими входами коммутатора, 1800298 кс

Составитель О.Полев

Техред M.Моргентал

Корректор С.Шекмар

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1158, Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5