RU2227277C2

RU2227277C2 - Multirange pressure transducer

Info

Publication number: RU2227277C2
Application number: RU2001122346/28A
Authority: RU
Inventors: В.А. Ларионов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Метран"
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2004-04-20

Abstract

FIELD: measurement technology; measurement of pressure of liquid and gaseous media. SUBSTANCE: proposed transducer is additionally provided with membranes with strain gauges rated at different maximum pressures. Extreme additional membrane rated at minimum pressure range separates hermetically pressure being measured from reference pressure delivered to all remaining membranes. Transducer is also provided with analog signal switch for connection of strain gauges with micro- controller through analog-to-digital converter. EFFECT: enhanced sensitivity and accuracy of transducer in wide range of measurements. 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the pressure of liquid and gaseous media.

Известен преобразователь давления в электрический сигнал (патент РФ №2082129 по кл. G 01 L 9/04, з. 27.06.95, oп. 20.06.97), содержащий тензорезистивный мост, резистивный делитель, аналоговый коммутатор, АЦП (выполненный на дифференциальном усилителе, сумматоре и блоке ослабления напряжения), процессор и формирователь выходного электрического сигнала.A known pressure transducer into an electrical signal (RF patent No. 2082129 according to class G 01 L 9/04, z. 27.06.95, op. 20.06.97) containing a strain-resisting bridge, resistive divider, analog switch, ADC (made on a differential amplifier , adder and voltage attenuation unit), the processor and the driver of the output electrical signal.

Недостатками данного преобразователя являются: сложность формирования схемы АЦП, низкая чувствительность и точность при малой (относительно рабочего диапазона) величине измеряемого давления.The disadvantages of this converter are: the complexity of the formation of the ADC circuit, low sensitivity and accuracy with a small (relative to the operating range) value of the measured pressure.

Известен также двухмембранный тензопреобразователь давления (патент РФ №2101688 по кл. 6 G 01 L 9/04, з. 26.09.91, oп. 10.01.98), в котором благодаря ограничению хода дополнительной усилительной мембраны, преобразующей давление в силу, ограничивается деформация основной мембраны за счет выполнения упоров.Also known is a two-membrane pressure transducer (patent of the Russian Federation No. 2101688, class 6 G 01 L 9/04, September 26, 1999, op. 10.01.98), in which, due to the restriction of the stroke of the additional reinforcing membrane that converts pressure into force, deformation is limited the main membrane due to the implementation of the stops.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому преобразователю является преобразователь давления, схема которого приведена в описаниях применения “сигма-дельта” АЦП фирмы ANALOG DEVICE (например, в книге “Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1-М. ДОДЭКА, 1996 г., - на с.278-280). На измерительной мембране установлен мостовой тензорезистивный датчик, на входы которого подается опорное (возбуждающее) напряжение, а выходы соединены с входами АЦП, выходы которого подключены к микроконтроллеру.The closest in technical essence to the inventive converter is a pressure converter, the circuit of which is given in the descriptions of the use of “sigma-delta” ADC company ANALOG DEVICE (for example, in the book “Integrated circuits: Microcircuits for analog-to-digital conversion and multimedia. Issue 1-M . DODEKA, 1996, - on p. 278-280). A bridge strain gauge sensor is installed on the measuring membrane, the inputs of which are supplied with a reference (exciting) voltage, and the outputs are connected to the inputs of the ADC, the outputs of which are connected to the microcontroller.

Недостатком данного преобразователя является его низкая чувствительность и точность при малой (относительно рабочего диапазона) величине измеряемого давления, которые ограничены техническими возможностями мембраны, тензодатчика и амплитудой опорного напряжения (током потребления преобразователя).The disadvantage of this converter is its low sensitivity and accuracy with a small (relative to the operating range) value of the measured pressure, which is limited by the technical capabilities of the membrane, strain gauge and the amplitude of the reference voltage (current consumption of the converter).

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности преобразователя давления без увеличения потребляемого тока в широком диапазоне измеряемых давлений.The aim of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of the pressure transducer without increasing the current consumption in a wide range of measured pressures.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь давления, содержащий сообщенную с источником опорного давления мембрану с тензорезиcтивным датчиком (тензодатчик), на которую с одной стороны подается опорное (например, атмосферное) давление, АЦП, источник опорного напряжения, первый выход которого соединен с первым входом тензодатчика, микроконтроллер, к входам которого подключены выходы АЦП, согласно изобретению введены N дополнительных мембран с тензодатчиками и коммутатор аналоговых сигналов, дополнительные мембраны установлены друг за другом перед основной мембраной и рассчитаны на последовательно уменьшающийся ряд давлений, крайняя из дополнительных мембран, рассчитанная на минимальный диапазон давлений, герметично отделяет измеряемое давление от опорного, поступающего на все остальные мембраны, выход источника опорного напряжения подключен к первому информационному входу коммутатора, первые N+1 информационные выходы которого соединены с вторыми входами тензодатчиков, первые входы тензодатчиков соединены между собой, первый и второй аналоговые входы АЦП соединены с вторым и третьим информационными входами коммутатора, вторые и третьи N+1 информационные выходы которого соединены с первыми и вторыми выходами тензодатчиков, выходы микроконтроллера подключены к управляющим входам коммутатора.This goal is achieved by the fact that a pressure transducer containing a membrane connected to a reference pressure source with a strain gauge sensor (strain gauge) is supplied with reference (for example, atmospheric) pressure, an ADC, a reference voltage source, the first output of which is connected to the first according to the invention, N additional membranes with strain gauges and an analog signal switch are inserted, additional membranes are installed lenches one after another in front of the main membrane and are designed for a successively decreasing series of pressures, the last of the additional membranes, designed for the minimum pressure range, hermetically separates the measured pressure from the reference pressure supplied to all other membranes, the output of the reference voltage source is connected to the first information input of the switch, the first N + 1 information outputs of which are connected to the second inputs of the load cells, the first inputs of the load cells are connected to each other, the first and second analog inputs The ADCs are connected to the second and third information inputs of the switch, the second and third N + 1 information outputs of which are connected to the first and second outputs of the load cells, the outputs of the microcontroller are connected to the control inputs of the switch.

Введение в преобразователь дополнительных мембран с тензодатчиками, рассчитанными на разные максимальные давления, позволяет преобразователю за счет повышения чувствительности и точности работать в широком диапазоне измеряемых давлений, заменяя несколько преобразователей давления, рассчитанных на разные давления. Введение в преобразователь коммутатора позволяет не увеличивать общий ток потребления преобразователя несмотря на увеличенное количество тензодатчиков.Introduction to the transducer of additional membranes with strain gauges designed for different maximum pressures allows the transducer to increase its sensitivity and accuracy by working in a wide range of measured pressures, replacing several pressure transducers designed for different pressures. The introduction of the switch to the converter allows you to not increase the total current consumption of the converter despite the increased number of load cells.

Заявляемое изобретение обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как наличие дополнительных мембран с тензодатчиками, установленных последовательно с основной мембраной и рассчитанных на последовательно уменьшающийся ряд давлений; коммутатора, через который запитываются тензодатчики и выходные напряжения тензодатчиков подаются на АЦП, и указанных выше связей.The claimed invention has a novelty in comparison with the prototype, differing from it by the presence of such essential features as the presence of additional membranes with load cells installed in series with the main membrane and designed for a series of decreasing series of pressures; the switch through which the load cells are fed and the output voltages of the load cells are fed to the ADC, and the above connections.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими получение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию “изобретательский уровень”.The applicant is not aware of technical solutions that have the indicated distinguishing features that provide the desired result, so he believes that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Заявляемый преобразователь давления может найти широкое применение в измерительной технике и поэтому соответствует критерию “промышленная применимость”. Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:The inventive pressure transducer can be widely used in measurement technology and therefore meets the criterion of "industrial applicability". The invention is illustrated by drawings, which are presented in:

- фиг.1 - функциональная схема преобразователя;- figure 1 is a functional diagram of the Converter;

- фиг.2 - схема установки мембран;- figure 2 - installation diagram of the membranes;

- фиг.3, 4 - работа мембран для преобразователя с N=1;- figure 3, 4 - the operation of the membranes for the Converter with N = 1;

- фиг.5 - временная диаграмма напряжения на входе АЦП в зависимости от изменения измеряемого давления.- figure 5 is a timing diagram of the voltage at the input of the ADC depending on the change in the measured pressure.

На каждой из упругих мембран 1 (основной 1₁ и дополнительных 1₂-1_N) установлен мостовой тензорезистивный датчик 2 (2₁-2_N), причем каждая мембрана с тензодатчиком рассчитана на разные давления (1_N2_N-на минимальное). Опорное давление Роп (например, атмосферное) подается на обе стороны мембран 1₁-1_N-1 и одну сторону мембраны 1_N, на другую сторону которой подается измеряемое давление Ризм.On each of the elastic membrane 1 (core 1 ₁ and 1 ₂ additional -1 _N) mounted pavement tensoresistive sensor 2 (2 ₁ -2 _N), each load cell membrane designed for different pressure _(N 2 _N 1 -on minimum). The reference pressure Рп (for example, atmospheric) is applied to both sides of the membranes 1 ₁ -1 _N-1 and one side of the membrane 1 _N , on the other side of which the measured pressure Риз is applied.

Второй выход источника опорного напряжения 4 подключен к первому информационному входу коммутатора 3, первые N+1 выходы которого соединены с вторыми входами тензодатчиков 2, первые входы которых соединены с первым выходом источника 4. Выходы тензодатчиков 2 соединены с второй и третьей группой N+1 выходов коммутатора 3, второй и третий входы которого соединены с входами АЦП 5. Выходы АЦП 5 соединены с микроконтроллером 6, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора 3.The second output of the reference voltage source 4 is connected to the first information input of the switch 3, the first N + 1 outputs of which are connected to the second inputs of the load cells 2, the first inputs of which are connected to the first output of the source 4. The outputs of the load sensors 2 are connected to the second and third group of N + 1 outputs switch 3, the second and third inputs of which are connected to the inputs of the ADC 5. The outputs of the ADC 5 are connected to the microcontroller 6, the outputs of which are connected to the control inputs of the switch 3.

Преобразователь при N=1 работает следующим образом.The converter with N = 1 works as follows.

Когда измеряемое давление мало отличается от опорного давления, работает только дополнительная мембрана с тензодатчиком (фиг.3). Микроконтроллер 6 с помощью коммутатора 3 подает напряжение на тензодатчик 2 дополнительной мембраны. Полученное напряжение разбаланса тензомоста 2 преобразуется с помощью АЦП 5 в код, который поступает в микроконтроллер 6. Микроконтроллер 6 подставляет полученный код в степенной полином, описывающий работу данной мембраны и тензодатчика, и вычисляет код давления. Коэффициенты полиномов, описывающие работу данных мембран с тензодатчиками, получают путем “характеризации” каждого преобразователя: на преобразователь подается ряд эталонных давлений, считываются в компьютер показания АЦП и по ним высчитываются на компьютере требуемые коэффициенты.When the measured pressure differs little from the reference pressure, only an additional membrane with a strain gauge works (Fig. 3). The microcontroller 6 using the switch 3 supplies voltage to the load cell 2 of the additional membrane. The resulting unbalance voltage of the strain gauge bridge 2 is converted using ADC 5 into a code that enters the microcontroller 6. The microcontroller 6 substitutes the resulting code in a power polynomial that describes the operation of this membrane and the strain gauge, and calculates the pressure code. Polynomial coefficients describing the operation of these membranes with strain gauges are obtained by “characterizing” each transducer: a number of reference pressures are supplied to the transducer, the ADC readings are read into the computer and the required coefficients are calculated on them.

При дальнейшем увеличении измеряемого давления дополнительная мембрана ложится на основную мембрану, которая и начинает работать (фиг.4). Микроконтроллер 6, получив данные от тензодатчика дополнительной мембраны о превышении порога линейности, переключает опорное напряжение на тензодатчик основной мембраны. Полученное напряжение разбаланса тензомоста преобразуется с помощью АЦП 5 в код, который поступает в микроконтроллер 6. Микроконтроллер 6 подставляет полученный код в степенной полином, описывающий работу данной мембраны и тензодатчика, и вычисляет код давления.With a further increase in the measured pressure, an additional membrane rests on the main membrane, which begins to work (figure 4). The microcontroller 6, having received data from the strain gauge of the additional membrane about the excess of the linearity threshold, switches the reference voltage to the strain gauge of the main membrane. Using the ADC 5, the resulting voltage of the strain gage unbalance is converted into a code that enters the microcontroller 6. The microcontroller 6 substitutes the resulting code in a power polynomial that describes the operation of this membrane and the strain gauge, and calculates the pressure code.

Временная диаграмма напряжения на входе АЦП от изменения измеряемого давления приведена на фиг.5. Для того, чтобы при измерении давления, примерно равного максимальному рабочему давлению дополнительной мембраны, не происходило постоянное переключение с одной характеристики преобразователя на другую, используется “гистерезис”.The timing diagram of the voltage at the input of the ADC from the change in the measured pressure is shown in Fig.5. In order to prevent constant switching from one transducer characteristic to another when measuring a pressure approximately equal to the maximum working pressure of the additional membrane, “hysteresis” is used.

По сравнению с прототипом заявляемый многодиапазонный преобразователь давления является более точным и чувствительным и может работать в широком диапазоне измеряемых давлений.Compared with the prototype of the inventive multi-range pressure transducer is more accurate and sensitive and can operate in a wide range of measured pressures.

Claims

A multi-range pressure transducer containing a membrane connected to a reference pressure source with a strain gauge sensor (strain gauge), to which reference (for example, atmospheric) pressure, an ADC, a reference voltage source, the first output of which is connected to the first input of the strain gauge, a microcontroller, are connected to the inputs of which the ADC outputs are connected, characterized in that N additional membranes with strain gauges and an analog signal switch are introduced into it, additional membranes are installed one after the other hom in front of the main membrane and are designed for a successively decreasing series of pressures, the last of the additional membranes, designed for the minimum pressure range, hermetically separates the measured pressure from the reference pressure supplied to all other membranes, the output of the reference voltage source is connected to the first information input of the switch, the first N + 1 information outputs of which are connected to the second inputs of the load cells, the first inputs of the load cells are interconnected, the first and second analog inputs of the ADC are connected with the second and third information inputs of the switch, the second and third N + 1 information outputs of which are connected to the first and second outputs of the load cells, the outputs of the microcontroller are connected to the control inputs of the switch.