Устройство для измерения давления

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ(71) Заявитель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета(72) Авторы Ксенофонтов Михаил Александрович Хатенко Александр Сергеевич Козел Сергей Аркадьевич Кердоль Геннадий Игнатьевич Бажанов Алексей Константинович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета(57) Устройство для измерения давления, содержащее тензорезисторный мост, входная диагональ которого подключена к источнику питания, дифференциальный усилитель,вход которого соединен с выходной диагональю моста, блок индикации и клавиатуры, отличающееся тем, что в него дополнительно введены аналоговый датчик температуры,микроконтроллер с многоканальным АЦП, энергонезависимым электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством (ЭП ПЗУ), встроенным модулем интерфейса 232 и специальным программным обеспечением, устройство для калибровки, блок сигнализации пороговых уровней давления, преобразователь уровней электрических сигналов интерфейса 232, причем выход дифференциального усилителя,аналогового датчика температуры и источник питания подключены к входам АЦП микроконтроллера. 21622005.09.30 Техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давлений измерительными устройствами на базе тензорезисторных мостов, имеющих нелинейные выходные характеристики от давления и температуры. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и выбраным в качестве прототипа является устройство для измерения давления 1. Устройство содержит тензорезисторный мост, источник питания, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, постоянное запоминающее устройство, цифровой датчик температуры, температурный корректор, идентификатор, обратный преобразователь, сумматор, компаратор, блок индикации и клавиатуры. Использование данного устройства не обеспечивает возможность применения в системах автоматического управления, где необходима информация о значении измеренного давления, что сужает функциональные возможности. Применение данного устройства требует специального дополнительного оборудования для программирования в случае необходимости калибровки (например, при проведении поверки). Кроме того, устройство обладает довольно широкой элементной базой, что ухудшает показатели надежности. Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности измерений, создание механизма калибровки, не требующего специального дополнительного оборудования для программирования, расширение функциональных возможностей, повышение показателей надежности. Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее тензорезисторный мост, входная диагональ которого подключена к источнику питания, дифференциальный усилитель, вход которого соединен с выходной диагональю моста, блок индикации и клавиатуры, по предлагаемому техническому решению дополнительно введены аналоговый датчик температуры, микроконтроллер с многоканальным АЦП, энергонезависимым электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством (ЭП ПЗУ), встроенным модулем интерфейса 232 и специальным программным обеспечением, устройство для калибровки, блок сигнализации пороговых уровней давления, преобразователь уровней электрических сигналов интерфейса 232. Причем выход дифференциального усилителя, аналогового датчика температуры и источник питания подключены к входам АЦП микроконтроллера. Структурная схема устройства представлена на фиг. 1. Устройство содержит тензорезисторный мост 1, источник питания 2, аналоговый датчик температуры 3, дифференциальный усилитель 4, микроконтроллер 5, устройство для калибровки 6, блок индикации и клавиатуры 7, блок сигнализации пороговых уровней давления 8, преобразователь уровней электрических сигналов 9 интерфейса 232. Устройство работает следующим образом. При воздействии давления сопротивление тензорезисторов моста 1 изменяется, на выходной диагонали появляется напряжение, которое усиливается дифференциальным усилителем 4. Сигнал с выхода дифференциального усилителя 4 поступает на вход АЦП микроконтроллера 5, где преобразовывается в цифровой код. Сигнал с аналогового датчика температуры 3 поступает на другой вход АЦП микроконтроллера 5, где преобразовывается в цифровой код. Электрическое питание тензорезисторного моста 1 и аналогового датчика температуры 3 обеспечивает источник питания 2. Микроконтроллер 5 производит вычисление значений давления исходя из данных о напряжении на выходе терморезисторного моста 1, аналогового датчика температуры 3 и данных из ЭП ПЗУ, полученных в ходе калибровки устройства. Микроконтроллер 5 осуществляет вывод значений вычисленного давления на блок индикации и клавиатуры 7, ввод и сохранение в ЭП ПЗУ данных о пороговых уровнях давления с блока индикации и клавиатуры, сравнение вычисленного значения давления с пороговыми значениями давления и формирование сигналов в блок сигнализации пороговых уровней давления 8. Кроме того, преобразователь уровней электрических сигналов 9 интерфейса 232 обеспечивает подключение к 2 21622005.09.30 другим внешним устройствам по интерфейсу 232 и обмен данными между микроконтроллером 5 и этими устройствами. Процедура калибровки осуществляется посредством устройства для калибровки 6,подключенного к входам микроконтроллера 5. Устройство для калибровки 6 представляет собой набор микропереключателей, позволяющих устанавливать на входах микроконтроллера 5 цифровой код, который вызывает выполнение процедур, необходимых для вычисления и сохранения в ЭП ПЗУ данных калибровки. Калибровка устройства выполняется в два этапа. На первом этапе рабочий диапазон давлений тензорезисторного моста разбивается на 10 равных диапазонов от 0 до 10. Далее при нормальной температуре тензорезистивного моста (обычно 20 ) на мост последовательно воздействуют эталонными давлениями равными 0, 1, 2 и т.д. до 10. При этом во время воздействия эталонного давления на устройстве для калибровки устанавливают соответствующий цифровой код. После чего микроконтроллер вычисляет и сохраняет в ЭП ПЗУ значения напряжения с выхода тензорезисторного моста 010 и коэффициенты аппроксимирующей функции по давлению для каждого из 10 диапазонов по формуле 10-0/10(1),где- от 1 до 10. Принцип калибровки по эталонным давлениям проиллюстрирован на фиг. 2. На втором этапе при минимальной рабочей температуре тензорезистивного моста Тмин., на устройстве для калибровки устанавливают соответствующий цифровой код. Микроконтроллер разбивает рабочий диапазон температур тензорезисторного моста на 10 равных диапазонов от Тмин., до Тмакс Далее мост последовательно нагревают до Тмакс Во время нагрева микроконтроллер постоянно считывает данные с датчика температуры, вычисляет и сохраняет в ЭП ПЗУ для 0, 1, 2 и т.д. до Т 10 значения напряжения с выхода тензорезисторного моста 010 и коэффициенты аппроксимирующей функции температурной поправки К(Т) для каждого из 10 диапазонов по формуле 10(1)/Тмакс.-Тмин. ,где- от 1 до 10. Принцип калибровки температурной поправки проиллюстрирован на фиг. 3. После проведения калибровки в ЭП ПЗУ микроконтроллера хранятся все необходимые данные для вычисления давления, приложенного к тензорезисторному мосту. В результате процесс измерения давления происходит следующим образом. Напряжения с выхода тензорезисторного моста и аналогового датчика температуры поступают на АЦП микроконтроллера, где преобразовываются в цифровой код. Далее, микроконтроллер производит вычисление номера температурного диапазонаи напряжения с температурной поправкой т по формуле тизм.01- (Тизм.1) где изм., Тизм. - данные измерений напряжения с выхода тензорезисторного моста и датчика температуры в цифровом виде, 0, -1, , -1 - данные калибровки из ЭП ПЗУ микроконтроллера. Далее, исходя из значения т, микроконтроллер вычисляет номер диапазона давленияи приложенное к тензорезисторному мосту давление Рвыч. по формуле Рвыч.(т 1)-1 ,где -1, , -1 - данные калибровки из ЭП ПЗУ микроконтроллера. Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет скомпенсировать погрешность измерения давления до 0,25 в температурном диапазоне 100 С, производить его калибровку без применения специального дополнительного оборудования для программирования, включать в более сложные системы автоматического управления. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.