RU1812462C - Устройство дл измерени давлени и температуры - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  давлени  на объектах в услови х измен ющейс  температуры. Цель; повышение точности измерений. Сущность изобретени : устройство содержит рабочий стабилитрон, компенсирующий стабилитрон , коммутатор с ключевыми элементами, источник напр жени , первую и вторую мостовые измерительные схемы с резисторами , блок управлени , блок измерени  давлени  с нормирующими усилител ми, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора с ключевыми элементами , вычислительным устройством, АЦП, индикатором, блок измерени  температуры с нормирующими усилител ми, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора. Блок управлени  выполнен в виде таймера. Процесс измерени  давлени  и температуры разделен во времени на два цикла, причем производитс  взаимокоррекци  информационных сигналов давлени  и температуры. В перерыве между измерени  ми осуществл етс  тестирование измерительных каналов. 1. з. п. ф-лы, 1 ил. (Л

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в. частности к устройствам дл  измерени  давлени  на объектах, подвергнутых воздействию измен ющейс  температуры .

Цель изобретени  - повышение точности измерений.

На чертеже приведена структурна  схема устройства дл  измерени  давлени  и температуры.

Устройство содержит рабочий стабилитрон 1 с выводами 2, 3, выполн ющий функцию чувствительного элемента в процессе измерени  давлени  и температуры, компенсирующий стабилитрон 4, коммутатор 5 с ключевыми элементами 6-11, источник напр жени  12, первую мостовую измерительную схему 13 с резисторами 14-19, вторую мостовую измерительную схему 20 с резисторами 21-24,. блок управлени  25 с первым 26, вторым 27, третьим 28, четвертым 29 и п тым 30 выходами, блок измерени  давлени  31, состо щий из первого 32 и второго 33 нормирующих усилителей посто нного 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 преобразовател  (АЦП) 41 и цифрового индикатора 42, блок измерени  температуры 43, состо щий из первого 44 и второго 45 нормирующих усилителей посто нного 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 питани  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 питани  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 усилител  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 усилител  посто нного тока 44 блок измерени температуры 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 измерени  да вйейи  3:1, Другой вход которого г1дДк |адёнк другому выводу резистора 19 и ерез баййнсйр уюЩий резистор 17 сЬедй- нен с другим выйбдЬм резистора 15 и с рд-  имйй 8.

стабилитрона р ЙЙвьШод которого пбд- к |0м у ёцибНнЬму выходу ключе Ьйго элемента 10 коммутатора 5. ; ; Bbtxti riepBbrp нормирующего: усилител  32 блокаi измерени  Даёлёни  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 Измерени  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, друга  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 измерени  температуры 43, Установочный вход АЦП 41 подключен к первому выходу 26 блока управлени  25, второй выход 27 которого соединен с управл ющим входом коммутатора 36 ЗУ

0.. 34,1

. Йыходпё|)вогб нормирующего усилител  посто нного тока 44 блока измерени  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, друга  ; ; 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 измерени  тём . пёратурь 43 соединен с третьим выходом 28 блока управлени  25, четвертый выход 29

0 кртррбгр подключён к управл ющему входу

.коммутатора 4S ЗУ 46. П тый выход 30 блока

управлени  25 сЬёдинен с управл ющим

вводом коммутатора 5. ; ч :;

Рассмотрим работу устройства дЛ  изо мерени  давлени  по структурной схеме.

; Рабочий стабилитрон 1 помещаетс  в

зону измерени . С помощью коммутатора 5,

первой и второй мостовых измерительных

схем 13,20 из блоков измерени  давлени  и

0 температуры 31, 43 и блока управлени  25 Процесс измерени  давлени  и температуры разделен во времени на два цикла. При этрм при и мереним этих физических вели- :чйн пройзврдиТс  взаимбКбррекци  инфбр5 мэЦйрнных сигналов с пбмбщью .еоответствующих нормирующих усилителей постб нного тока 32, 44ЧЗУ 34, 46 и ВУ 40, 52 блоков измерени  давлени  31 и температуры 43. Например, при измерении дав ле0 ни  учитываетс  ранее сформирбванны.й в предыдущем цикле информационный сигнал (с помощью нормирующего усилител  посто нного тока 44) и заранее запомненный на конденсаторе 47 ЗУ 46 блока изме5 рени  температуры 43. Аналогично проводитс  коррекци  информационного сигнала при измерении температуры. В перерыве между измерением по каждому каналу последовательно производитс  периодическа  проверка этих каналов с помощью тестовых сигналов, которые формируютс  соответственно первой 13 и второй 20 мостовыми измерительными схемами.

При измерении давлени  АЦП 41 приводитс  в исходное состо ние с помощью импульса , подаваемого на его установочный вход с первого выхода 26 блока управлени  25, и снимаетс  остаточное напр жение (с предыдущего цикла) с конденсатора 35 ЗУ 34. Это достигаетс  замыканием конденсатора 35 на точку с нулевым потенциалом с помощью ключевого элемента 37 коммутатора 36 ЗУ 34, управл емого импульсом со второго выхода 27 блока управлени  25. После этого блок управлени  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) наход тс  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 подключаетс  встречно рабочий 1 и компенсирующий стабилитроны и на выходе этой схемы возникает информационный сигнал, несущий информацию об измер емых 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. Напр жени  стабилизации стабилитронов 1, 4 выбираютс  равными по размеру, причем температурный коэффициент напр жени  компенсирующего стабилитрона 4 выбираетс  на несколько пор дков меньше.температурного коэффициента напр жени  рабочего стабилитрона 1. Это делаетс  в цел х исключени  дополнительной погрешности измерени  давлени  при изменении, температуры окружающей среды, в которой работает электронно-преобразующа  часть устройства .

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

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

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

5 сигнал в соответствии с прин той шкалой измерени  давлени  и при необходимости выполн ет функцию линеаризации номинальной статической характеристики канала измерени  давлени . Линеаризаци 

0 может быть осуществлена путем включени  в цепь обратной св зи усилител  33 диодно- резисторных элементов, измер ющих коэф- фициент усилени  усилител  33 в зависимости от входного сигнала, Выход- 5 ной сигнал второго нормирующего усилител  33 преобразуетс  в цифровой код с помощью АЦП 41, и информаци  о давлении отображаетс  на цифровом индикаторе 42. Формирование необходимой зэвисимо0 сти корректирующего напр жени , которое запоминаетс  на конденсаторе 35, осуществл етс  изменением коэффициента передачи первого нормирующего усилител  32 и приведением его передаточной характери5 стики к заданному виду. Все это может определ тьс  экспериментальным путем при градуировке канала измерени  давлени  по образцовым средствам при отсутствии воздействи  температуры в процессе изготов0 лени , отладки и проверки устройства.

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

5 резистор 21 подключен к плечу мостовой схемы 20. Этот сигнал усиливаетс  первым нормирующим усилителем 44 блока измерени  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 усилител  44 передаетс  через ВУ 52, усиливаетс  вторым нормирующим усилителем

5 45 и поступает на вход АЦП 53, который по команде блока управлени  25 (выход 28) предварительно устанавливаетс  в исходное состо ние. Усиленный тестовый сигнал преобразуетс  в цифровой код с помощью АЦП 53, и информаци , характеризующа 

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

Аналогично производитс  цикл измерени  температуры. В данном случае по команде блока управлени  25 АЦП 41 (выход 26) и АЦП 53 (выход 28) устанавливаютс  в исходное состо ние. Ключевые элементы: б, 7, 10, 11 коммутатора 5, 37, 39 коммутатора 36 ЗУ 34, 50, 51 коммутатора 48 ЗУ 46 наход тс  в положении Разомкнуто, ключевые элементы 8, 9 коммутатора 5, 38. коммутатора 36 ЗУ 34, 49 коммутатора 48 УЗ 46 наход тс  в положении Замкнуто. При этом также кратковременным замыканием ключа 51 коммутатора 48 предварительно снимаетс  остаточное напр жение коррекции конденсатора 47 (с предыдущего цикла измерени  температуры). При этом рабочий стабилитрон 1 подключаетс  в плечо второй мостовой измерительной схемы 20 в пр мом включении, т.е. работает как термодиод . В данном случае такое включение стабилитрона 1 обосновываетс  практической независимостью его термометрических характеристик от давлени  и только при высоких размерах давлени  возникает необходимость коррекции канала измерени  температуры ( 10 кгс/см2). Сигнал рассогласовани  с выхода второй мостовой измерительной схемы 20 усиливаетс  и нормируетс  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 измерени  давлени  31. Скорректированный сигнал нормируетс  в соответствии с прин той шкалой температуры вторым нормирующим усилителем 45, преобразуетс  в цифровой код АЦП 53 и информаци  о температуре отображаетс  на цифровом индикаторе 54. Одновременно по каналу измерени  давлени  с выхода первой мостовой измерительной схемы 13 поступает тестовый сигнал, так как несмотр  на то, что стабилитроны 1, 4 отключены от нее коммутатором 5, мостова  схема 13 (как и мостова  схема 20) посто нно подключена к источнику питани  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 напр жени  тестового сигнала первой и второй мостовых измерительных схем 13, 20 выбираетс  расчетным или экспериментальным путем при проектировании конкретного устройства . Аналогичным образом тестовый

сигнал дл  проверки канала измерени  давлени  усиливаетс  первым усилителем 32, передаетс  через ВУ 40, усилитель 33, преобразуетс  АЦП 41 в цифровой кодиотображаетс  на цифровом индикаторе 42, т.е. работа блока измерени  температуры 31 аналогична работе блока измерени  давлени  43. Длительность и последовательность импульсов, поступаемых с блока управле0 ни  25, также выбираютс  при проектировании конкретных устройств, исход  из эргономических требований съема оператором информации, динамики изменений температуры и давлени  на реальном объекте,

5 времени сохранени  информации на ЗУ 34, 46 (в данном случае на конденсаторах 35,47) быстродействи  АЦП 41,53 и т.п. Далее циклы измерени  давлени  и температуры и присуща  им проверка каналов измерени 

0 этих величин повтор ютс .

Величина коррекции дополнительных погрешностей этих взаимосв занных величин позволит также повысить точность измерени  давлени  и температуры и

5 использовать в качестве датчика полупроводниковые элементы, дл  которых характерна высока  степень чувствительности к разнообразным неэлектрическим величинам , что, в свою очередь, преп тствовало

0 широкому их использованию дл  проведени  однофункционалъных и многофункциональных измерений. При этом материально затраты на изготовление датчиков уменьшаютс . В качестве таких чувствительных эле5 ментов могут быть использованы не только стабилитроны, но и другие полупроводниковые элементы, например диоды, поли- и монокристаллы германи , кремни , арсенида гали  и т.п. Все это расшир ет функцио0 нальные возможности устройства.

Введение по каждому каналу измерени  (в перерыве между измерени м.и) операции проверки их метрологических характеристик снизит случайные составл 5 ющие погрешностей измерени , повысит достоверность измерений.

Малые габариты датчика позвол т снимать информацию б двух величинах в объекте , размеры которого задаютс  размерами

0 такого датчика, что представл ет интерес как в решении чисто научно-исследовательских задач, так и при решении многих производственных задач. Едина  технологи  производства устройства позволит создать

5 миниатюрное средство измерени , которое может быть использовано на объектах, где к устанавливаемой аппаратуре предъ вл ютс  прежде всего требовани  обеспечени  минимальных веса и габарита, а также повышенной надежности.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Устройство дл  измерени  давлени  и температуры, содержащее рабочий стабилитрон , компенсирующий стабилитрон, первый вывод которого подключен к плечу первой мостовой измерительной схемы, вход которой соединен с источником напр жени , а выход подключен к инфррмациЬн- ному BXQjqiy блока измерени  давлени  и блок измерени  температуры. 0 т л и ч а ю- щ е е с   тем. что, с целью повышени  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 управл ющим входам блока измерени  давлени , третий и четвертый выходы таймера подключены со- ответст енно к первому и второму управл ющим -входам блока; измерени  температуры п тый выход таймера подклюУ чей к управл ющему входу коммутатора, корректирующий выход блока измерени  температуры соединен стретьим управл ю1Цйм входом блока измерени  давлени , корректирующий выход которого подклю- че к третьему управл ющему входу блока измерени  температуры, информационный вход которого соединен с выходим второй мостовой измерительной схемы; вход кото- ррго подключен к источнику напр жени ,

   выводы рабочего стабилитрона соединены с соответствующими входами .коммутатора, выходы которого подключены соответствен- но к источнику питани , к плечу второй стовой измерительной схемы и второму выводу компенсирующего стабилитрона.
2. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что в нем каждый из блоков измерени  давлени  и температуры содержит два нормирующих усилител  посто нного тока, запоминающее устройство, вычислительное устройство, аналогр-цифровой преобразователь и цифровой индикаторГпричем в Каждом из блоков измерени  давлени  и температуры информационный вход соответствующего блока соединен с входом nep-j вого норйирующего усилител , выход

   которого подключен к первому входу вычиб- лительного устройства, выход которого через запоминающее устройство св зан с корректирующим выходом соответствующего блока, первый упрайл ющий вход ко-; торого соединен с установочным входом аналого-цйфрового преобразовател , йто- рой управл ющий вход - с управл ющим входом запоминающего устройства, третий управл ющий вход л- с вторым входом вычислительного устройства, выход которого через второй нормирующий усилитель и аналогр-цифровой преобразователь св зан q цифровым индикатором.