Преобразователь давления многоканальный



Преобразователь давления многоканальный
Преобразователь давления многоканальный
G01L9/045 - Измерение постоянного или медленно меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью электрических или магнитных элементов, чувствительных к механическому давлению; передача и индикация перемещений элементов, чувствительных к механическому воздействию, используемых для измерения давления с помощью электрических или магнитных средств (измерение разности двух или более величин давления G01L 13/00; одновременное измерение двух и более величин давления G01L 15/00; вакуумметры G01L 21/00)

Владельцы патента RU 2696945:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Драйвер" (ООО "Драйвер") (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения давлений на поверхности изделий дренажным методом. Предлагаемый преобразователь давления многоканальный содержит блок из 32 (возможно другое количество) кремниевых датчиков давления, блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления, мультиплексор сигналов измерительных элементов, блок управления мультиплексором от микроконтроллера, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, термостабилизатор преобразователя, включающий датчик температуры, управляемые нагревательные элементы, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящей рамки, ПИ-регулятор температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя. Технический результат - повышение точности измерений давления, уменьшение габаритов преобразователя, увеличение количества измерительных каналов преобразователя, размещение преобразователей давления в малоразмерных моделях летательных аппаратов и их элементах, испытываемых в аэродинамических установках. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения давлений на поверхности изделий дренажным методом.

Известны многоканальные преобразователи давления, в которых используются полупроводниковые чувствительные элементы давления (ЧЭД), изготовленные по интегральной технологии группами на общей подложке. Для уменьшения температурной погрешности ЧЭД преобразователь давления термостабилизируется. Так, например, многоканальный преобразователь - модуль давления ММД24 содержит 24 ЧЭД, размещенные в двух блоках по 12 ЧЭД в каждом. В модуль встроен электронный коммутатор сигналов тензорезисторных измерительных мостов ЧЭД, фольговые нагревательные элементы и два терморезистора. По сигналам одного из них регулируется температура модуля с помощью внешней аппаратуры термостабилизации, другой служит для контроля температуры (см. А.И. Беклемишев, В.Н. Чекрыгин. Многоточечные модули давления // Датчики и системы. - 2004, №3. - С. 9-10).

К недостаткам модуля можно отнести:

- низкий уровень выходных аналоговых сигналов (≤100 мВ), требующий внешних устройств нормализации и аналого-цифрового преобразования;

- необходимость применения внешней аппаратуры термостабилизаци модуля для уменьшения температурной погрешности;

- значительное количество кабельных линий связи модуля с внешней, удаленной (до 100 м) измерительной, терморегулирующей и питающей аппаратурой, снижающее эксплуатационную надежность много-модульной измерительной системы;

- значительные габаритные размеры (66×32×31 мм), не позволяющие, в ряде случаев, встраивать модули в изделия, в частности, в малоразмерные модели летательных аппаратов и их элементы, испытываемые в аэродинамических установках, в том числе и из-за значительных объемов кабельных линий связи с внешней аппаратурой.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является преобразователь давления многоканальный с цифровым выходом (см. Преобразователи давления измерительные многоканальные КДЦ-24. Описание типа средства измерений. Приложение к свидетельству №54034 об утверждении типа средства измерений см. сведения об утвержденных типах средств измерения по адресу www.fundmetrology.ru/10_tipy_si/11/7list.aspx).

В одной конструкции преобразователя объединяются малогабаритные одиночные пьезорезистивные полупроводниковые датчики давления, электронный мультиплексор сигналов тензорезисторных измерительных мостов датчиков давления, схема управления мультиплексором от микроконтроллера, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- невысокую точность измерения давления (0,3%), обусловленную применением одиночных датчиков, определяющих точность измерений, вместо интегральных блоков датчиков давления на общей подложке;

- значительные габаритные размеры (112×40×13 мм), не позволяющие, в ряде случаев, встраивать преобразователи давления в изделие, в частности, в малоразмерные модели летательных аппаратов и их элементы, испытываемые в аэродинамических установках;

- зависимость точности измерения давления от изменения температуры окружающей среды;

- ограниченное количество каналов (до 24-х).

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давления, упрощение конструкции, уменьшение габаритов при одновременном увеличении количества каналов.

Технический результат достигается тем, что в преобразователе давления многоканальном, содержащем датчики давления, мультиплексор их сигналов, блок управления мультиплексором, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, при этом выход мультиплексора соединен с входом измерительного усилителя, выход измерительного усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микроконтроллера, выход микроконтроллера соединен с входом блока управления мультиплексором, выход блока управления мультиплексором соединен с входом мультиплексора, преобразователь содержит термостабилизатор и установленный между датчиками давления и мультиплексором блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления, соединенный с формирователем напряжений питания элементов преобразователя, при этом датчики давления закреплены в теплопроводящем элементе на общей кремниевой подложке, а датчик температуры установлен на поверхности теплопроводящего элемента и подключен к термостабилизатору и мультиплексору.

Термостабилизатор выполнен аналоговым и содержит управляемые нагревательные элементы, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящего элемента, и ПИ-регулятор температуры, соединенный с датчиком температуры и с управляемыми нагревательными элементами.

Теплопроводящий элемент выполнен из ковара в виде О-образной рамки, датчики давления закреплены внутри нее, и от каждого датчика выведен штуцер на внешнюю сторону.

Конструкция блока датчиков давления существенно уменьшает влияние внешних температурных и механических воздействий на кристаллы датчиков давления.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого преобразователя давлений многоканального. Предлагаемый преобразователь давления содержит: датчики давления 1, включающие тензорезисторные чувствительные элементы датчиков давления 2, блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления 3, мультиплексор сигналов датчиков давления 4, блок управления мультиплексором от микроконтроллера 5, измерительный усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь 7, микроконтроллер 8, аналоговый термостабилизатор 9, содержаший управляемые нагревательные элементы 10, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящего элемента, и ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный регулятор) температуры 11. Преобразователь также содержит датчик температуры 12 и формирователь напряжений питания элементов преобразователя 13. ПИ-регулятор температуры 11 соединен с датчиком температуры 12 и с управляемыми нагревательными элементами 10. Датчики давления 1 закреплены в теплопроводящем элементе на общей кремниевой подложке, а датчик температуры 12 установлен на поверхности теплопроводящего элемента и подключен к термостабилизатору 9 и мультиплексору 4. Теплопроводящий элемент выполнен из ковара в виде О-образной рамки, датчики давления 1 закреплены внутри нее, и от каждого датчика выведен штуцер на внешнюю сторону.

Блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления 3 установлен между датчиками давления 1 и мультиплексором 4 и соединен с формирователем напряжений питания элементов преобразователя 13. Выход мультиплексора 4 соединен с входом измерительного усилителя 6, выход измерительного усилителя 6 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход аналого-цифрового преобразователя 7 соединен с входом микроконтроллера 8, выход микроконтроллера 8 соединен с входом блока управления мультиплексором 5, выход блока управления мультиплексором соединен 5 с входом мультиплексора 4.

Преобразователь работает следующим образом: измеряемое в нескольких точках давление приводит к изменению выходного сигнала датчиков давления 1, сигнал преобразуется в блоке пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления 3, далее поочередно мультиплексором 4 выбираются сигналы датчиков, производится усиление сигналов измерительным усилителем 6, преобразование в код аналого-цифровым преобразователем 7 и регистрация в микроконтроллере 8, где рассчитывается текущее давление с учетом коррекции по температуре. Переключение мультиплексора 4 на следующий канал осуществляется микроконтроллером 8 через блок управления мультиплексором 5. Одновременно по показаниям датчика температуры 12 термостабилизатор 11 поддерживает температуру преобразователя постоянной.

Конструкция термостабилизатора позволяет получить низкое тепловое сопротивление нагреватель-рамка и равномерное нагревание преобразователя.

Схема термостабилизатора преобразователя аналоговая, так как в непосредственной близости от малосигнальных цепей датчиков давления использование импульсных (дискретных) схем терморегулятора (широтно-импульсная модуляция (ШМ), частотная модуляция (ЧМ)) ухудшает метрологические характеристики преобразователя давления.

Измерение температуры преобразователя служит для дополнительной цифровой коррекции температурного дрейфа датчиков давления преобразователя.

Благодаря указанным отличительным признакам, в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат:

Повышение точности измерения давления за счет:

- встроенной схемы и конструкции термостабилизатора преобразователя;

- схемы пассивной компенсации температурной погрешности и снижения уровня сигналов начального разбаланса резистивных измерительных мостов датчиков давления;

- дополнительной цифровой коррекции температурной погрешности датчиков давления.

Уменьшение габаритов преобразователя, за счет применения блока кремниевых датчиков давления на кремниевой подложке, вместо одиночных датчиков давления.

Увеличение количества каналов преобразователя при одновременном уменьшении габаритов, за счет конструктивных и технологических решений.

Размещение преобразователей давления в малоразмерных модулях летательных аппаратов и их элементах, испытываемых в аэродинамических установках, благодаря уникальным массово-габаритным характеристикам преобразователя (0,18 см3/канал). Изготовлены опытные образцы многоканальных термостабилизированных преобразователей давления на диапазоны измерения ±5, ±10, ±40, ±100 кПа. Изготовленный преобразователь давления многоканальный содержит блок из 32 кремниевых датчиков давления. Возможно другое количество датчиков - 2n, где n выбирается от 4-х до 6-ти.

Исследования опытных образцов преобразователей подтвердили указанные технические результаты. Приведенная к диапазонам погрешность измерения давления составила ±0,25% для диапазонов ±5, ±10 кПа и ±0,2% для диапазонов ±40, ±100 кПа.

Увеличено количество каналов измерения до 32. Уменьшены габаритные размеры преобразователя (53,2×13,2×9,5 мм).

1. Преобразователь давления многоканальный, содержащий датчики давления, мультиплексор их сигналов, блок управления мультиплексором, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя, при этом выход мультиплексора соединен с входом измерительного усилителя, выход измерительного усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микроконтроллера, выход микроконтроллера соединен с входом блока управления мультиплексором, выход блока управления мультиплексором соединен с входом мультиплексора, отличающийся тем, что преобразователь содержит термостабилизатор и установленный между датчиками давления и мультиплексором блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления, соединенный с формирователем напряжений питания элементов преобразователя, при этом датчики давления закреплены в теплопроводящем элементе на общей кремниевой подложке, а датчик температуры установлен на поверхности теплопроводящего элемента и подключен к термостабилизатору и мультиплексору.

2. Преобразователь давления многоканальный по п. 1, отличающийся тем, что термостабилизатор выполнен аналоговым и содержит управляемые нагревательные элементы, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящего элемента, и ПИ-регулятор температуры, соединенный с датчиком температуры и с управляемыми нагревательными элементами.

3. Преобразователь давления многоканальный по п. 1, отличающийся тем, что теплопроводящий элемент выполнен из ковара в виде О-образной рамки, внутри которой закреплены датчики давления.



 

Похожие патенты:

Изобретение может использоваться в приборостроении для защиты оптико-электронных приборов (ОЭП) от влияния окружающей среды, в том числе от температурных воздействий.

Изобретение относится к способам автофокусировки оптико-электронных приборов с высоким качеством изображения в широком интервале рабочих температур. Способ автофокусировки тепловизионного канала оптико-электронной системы поиска и сопровождения цели, при котором определяют функциональную зависимость величины перемещения фокусирующей линзы от текущей рабочей температуры, далее по сигналу с датчика температуры перемещают фокусирующую линзу объектива оптико-электронной системы в положение, соответствующее данной текущей рабочей температуре, при этом датчик температуры размещают внутри корпуса объектива, определяют функциональную зависимость величины перемещения фокусирующей линзы от текущей рабочей температуры объектива экспериментально, на одном или нескольких образцах для начала и окончания работы тепловизионного канала с учетом глубины резкости и степени нагрева объектива, далее проводят аппроксимацию полученных функций, из которых определяют результирующую функцию, соответствующую наилучшему качеству изображения во всем диапазоне рабочих температур и записывают ее в память блока управления, во время эксплуатации тепловизионного канала оптико-электронной системы поиска и сопровождения цели по сигналу с датчика температуры объектива электропривод в соответствии с результирующей функцией под действием управляющего сигнала с блока управления перемещает фокусирующую линзу в положение, соответствующее данной текущей рабочей температуре.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к прецизионным измерительным устройствам, и предназначено для получения высокоточных трехкомпонентных значений ускорения силы тяжести по взаимно ортогональным осям, характеризующим вектор силы тяжести в заданной точке пространства с целью формирования массива данных для комплексного изучения гравитационного поля.

Изобретение относится к электротехническим средствам обеспечения рабочих характеристик электронных изделий (ЭИ) в бортовой аппаратуре путем термостабилизации поверхности корпуса ЭИ.

Изобретение относится к устройствам волоконно-оптической связи и может быть использовано, в частности, в устройствах компенсации вариаций временной задержки информационных сигналов, переданных на конец многокилометровой волоконно-оптической линии.

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для измерений компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли. Сущность изобретения заключается в том, что предлагается способ определения температурных характеристик трехкомпонентного магнитометра (ТМ), в котором нагреванием или охлаждением ТМ в заданном диапазоне температур оказывают на него воздействие температуры до полного установления ее внутри ТМ для необходимого количества значений диапазона температур и при каждом значении определяют параметры характеристики преобразования ТМ ориентацией его геометрических осей относительно осей опорной системы координат.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении одноосных и трехосных измерителей параметров движения - угловых скоростей и линейных ускорений для инерциальных навигационных систем и пилотажных систем управления подвижных объектов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения плотности жидкости. В предложенном в изобретении способе, или системе измерения, соответственно, предусмотрен контактирующий с жидкостью (FL) вибрационный корпус (10), который приводится в состояние вибрации таким образом, что он испытывает, по меньшей мере, частично, механические колебания с резонансной частотой (резонансные колебания), зависящей от плотности жидкости, контактирующей с первой поверхностью (10+) вибрационного корпуса, а также от температуры вибрационного корпуса.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для температурной компенсации в устройстве CMUT. Устройства CMUT используют во многих применениях, например, ультразвукового формирования изображения и измерения давления.

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения.

Настоящее изобретение относится к датчикам давления такого типа, который используется для восприятия давления рабочей текучей среды в промышленных процессах, более конкретно настоящее изобретение относится к датчикам давления, которые заполнены заполняющей текучей субстанцией.

Обеспечен передатчик давления рабочей текучей среды. Передатчик давления рабочей текучей среды включает в себя датчик давления, имеющий электрическую характеристику, которая изменяется в ответ на деформацию датчика давления в ответ на давление.

Изобретение относится к способам определения давления насыщения нефти газом Рнас во внутрискважинной зоне. Способ реализуется на скважинах, оборудованных электроцентробежным насосом (ЭЦН) и частотным преобразователем электрического тока погружного электродвигателя.

Изобретение относится к способам определения давления насыщения нефти газом Рнас во внутрискважинной зоне. Техническим результатом является создание способа определения давления насыщения нефти газом без предварительной оценки давления на устье скважины в МП и уровня жидкости.

Изобретение предназначено для применения в океанологии и может использоваться в других областях. Сущность изобретения заключается в том, что используют распределенные термопрофилемеры, содержащие по n модулированных по погонной чувствительности по функциям {<p, (z)}, проводников.

Изобретение относится к поточному передатчику (100) давления технологической текучей среды. Передатчик (100) включает в себя соединительный элемент (102) для технологической текучей среды, сконфигурированный, чтобы соединяться с источником технологической текучей среды.

Изобретение относится к устройству (100) определения давления мягкого резервуара для воды, устройству (1000) управления впуском мягкого резервуара для воды и очистителю воды с мягким резервуаром для воды.

Узел (20) датчика давления технологической текучей среды включает в себя датчик (30) давления, выполненный с возможностью измерения давления технологической текучей среды.

Изобретение относится к техническим устройствам для измерения давления в пластичных и сыпучих средах, в т.ч. грунтах.

Изобретение относится к области промышленной безопасности в системах контроля загазованности опасных производственных объектов. Сущность заявленного технического решения заключается в том, что легкосъемный переносной калибровочный модуль содержит разборный корпус с размещенными внутри линиями подачи питающего напряжения на сигнализатор горючих газов и миллиамперметром, установленным в цепи аналогового выхода с упомянутого сигнализатора, при этом наружная часть корпуса снабжена индикатором отображения показаний миллиамперметра и разъемами, один из которых выполнен с возможностью подключения к блоку датчика сигнализатора, а другой разъем выполнен с возможностью подключения к блоку сигнализации и питания сигнализатора.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления тензорезисторных преобразователей давления. В интеллектуальный преобразователь введен узел, отвечающий за динамическую коррекцию установочных параметров на основе измеряемого преобразователем давления.
Наверх