Преобразователь давления многоканальный - RU2696945C1

Чертежи

Описание

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:

- 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.

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).

Реферат

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.

Формула