RU223111U1 - Цифровой эталонный барометр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к средствам измерений абсолютного давления газа, в диапазоне значений, соответствующих атмосферному давлению. Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения давления за счет устранения влияния температуры окружающей среды на результат измерений абсолютного давления газовой среды. Цифровой эталонный барометр содержит корпус (1), в котором расположены источник питания (2), микроконтроллер (3) с модулем преобразователя интерфейса (4), коммутатор (5), барокамера (6), полость (7) которой сообщается через штуцер (8) с атмосферой, печатная плата (9) со смонтированным на ней цифровым датчиком (10) давления и температуры, соединенная с корпусом (11) барокамеры (6) через герметизирующую прокладку (12); термоэлектрический модуль (13), прикрепленный с обратной стороны печатной платы (8) на участке под датчиком (9) давления и температуры, и радиатор (14), контактирующий с одной из поверхностей термоэлектрического модуля (13) и средство (15) визуализации, установленное в окне (16) стенки корпуса (1) барометра. Источник питания (2) соединен через коммутатор (5) с термоэлектрическим модулем (13); коммутатор (5), цифровой датчик (10) давления и температуры, средство визуализации (15) подключено к микроконтроллеру (3). Микроконтроллер (3), средство визуализации (15) и источник питания (2) подключены к внешнему источнику питания (17). Микроконтроллер (3) подключен к внешним цифровым устройствам через цифровой интерфейс (18), сигналы которого формируются модулем преобразователя интерфейса (4). Средство (15) визуализации выполнено в виде жидкокристаллического дисплея, а радиатор (14) выполнен в виде радиатора с естественной конвекцией или принудительной конвекцией. 4 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к средствам измерений абсолютного давления газа, в диапазоне значений, соответствующих атмосферному давлению. Кроме того, полезная модель предназначена для хранения и передачи единицы величины абсолютного давления менее точным средствам измерений и обеспечивает исключение дополнительных погрешностей от влияния температуры окружающей среды на результат измерений.

Уровень техники

Известен высокоточный барометр анероид с капиллярной трубкой (заявка на Европейский патент №ЕР 2333509А, МПК G01 L7/12, опубл. 15.06.2011 г.), который включает мембрану, анероид, соединенный с мембраной, резервуар, капиллярную трубку, контактирующую с резервуаром, жидкость в резервуаре и в капиллярной трубке и средства, соединенные с анероидом, для калибровки барометра на высоту над уровнем моря. Жидкость находится в контакте с мембраной, поэтому изменение давления воздуха вызывает деформацию мембраны из-за изменения размеров анероида и, следовательно, изменения уровня жидкости в капиллярной трубке. Давление воздуха определяется путем считывания уровня жидкости. Такой барометр обладает недостатком, заключающимся в невозможности реализации передачи результатов измерений давления по цифровому интерфейсу, автоматизации измерений.

Известен портативный прибор для измерения атмосферного давления (патент Китая на полезную модель №CN 205404029 U, МПК G01L 19/04, опубл. 27.07.2016 г.), включающий корпус детектирующего устройства, барометр, источник питания, зуммер, два тензорезистора, интерфейс и резистор. Первый тензорезистор сопротивления установлен на левой стороне корпуса детектирующего устройства, а второй тензорезистор сопротивления установлен на правой стороне корпуса детектирующего устройства, и оба находятся внутри корпуса детектирующего устройства, а измеритель давления воздуха установлен на правой торцевой поверхности корпуса детектирующего устройства. Источник питания и зуммер смонтированы с правой стороны корпуса детектирующего устройства. В измерительной цепи используются два тензорезистора сопротивления: один получает изменение температуры и давления воздуха, а другой получает только изменение температуры, тем самым нивелируя влияние температуры на результат измерения. В данном приборе для компенсации температуры используются два тензорезистора, которые разнесены в пространстве. Однако в указанном устройстве отсутствуют средства, обеспечивающие однородность температурного поля, а значит компенсация влияния изменения температуры окружающей среды не полная, что значительно снижает точность измерения атмосферного давления.

Из уровня техники известен способ компенсации температурной погрешности тензопреобразователя (патент RU №2008638, МПК G01L 19/04, опубл. 28.02.1994 г.), реализующийся в устройстве, содержащем тензопреобразователь, зашунтированный термозависимым двухполюсником, выполненным в виде полевого транзистора, у которого затвор соединен с истоком и термонезависимый источник тока питания. Термокомпенсация достигается регулированием источника тока до получения оптимального тока, определяемого расчетным путем по измеренным значениям чувствительности тензопреобразователя для двух разных температур и двух разных токов источника тока, выбранных произвольно из рабочего диапазона тензопреобразователя. Данный способ и устройство, его реализующее, обладают недостатком, заключающемся в необходимости предварительного определения оптимального тока, значение которого может изменяться во времени, а также не обеспечивает достаточной точности.

К наиболее близкому аналогу (прототипу) относится портативный цифровой барометр (патент Китая на полезную модель №CN 202974544 U, МПК G01L 9/00, G01L19/08, опубл. 05.06.2013 г.), состоящий из цифрового датчика давления, модуля преобразования данных, однокристального микроконтроллера, модуля отображения данных, источника питания соединенных между собой. К недостаткам данного портативного барометра относятся невысокая точность измерения давления, связанная с отсутствием компенсации температурного дрейфа характеристик цифрового датчика давления в условиях изменяющейся температуры окружающей среды, а также отсутствие герметичной полости, одновременно сообщающейся со входом датчика давления и штуцером для подключения испытательного оборудования, задающего давление определенной величины и менее точных барометров, которым передается единица величины давления.

Раскрытие сущности полезной модели

Задачей, решаемой при реализации полезной модели, являются устранение температурного дрейфа характеристик цифрового датчика давления в условиях изменяющейся температуры окружающей среды, обеспечение возможности одновременного измерения абсолютного давления газовой среды барометром эталонным и менее точными барометрами, которым передается единица давления.

Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения давления за счет устранения влияния температуры окружающей среды на результат измерений абсолютного давления газовой среды.

Задача полезной модели решается, а технический результат достигается тем, что цифровой эталонный барометр, согласно полезной модели, содержит корпус (1), в котором расположены источник питания (2), микроконтроллер (3) с модулем преобразователя интерфейса (4), коммутатор (5), барокамера (6), полость (7) которой сообщается через штуцер (8) с атмосферой, печатная плата (9) со смонтированным на ней цифровым датчиком (10) давления и температуры и соединенная с корпусом (11) барокамеры (6) через герметизирующую прокладку (12), термоэлектрический модуль (13), соединенный одной поверхностью с оборотной стороной печатной платы (9) на участке под датчиком (10) давления и температуры, а второй поверхностью с радиатором (14), средство (15) визуализации, установленное в окне (16) стенки корпуса (1) барометра, причем, источник питания (2) соединен через коммутатор (5) с термоэлектрическим модулем (13); коммутатор (5), цифровой датчик (10) давления и температуры, средство визуализации (15) подключены к микроконтроллеру (3); микроконтроллер (3), средство визуализации (15) и источник питания (2) выполнены с возможностью подключения к внешнему источнику питания (17); микроконтроллер (3) выполнен с возможностью подключения к внешним цифровым устройствам через цифровой интерфейс (18), сигналы которого формируются модулем преобразователя интерфейса (4).

Средство (15) визуализации выполнено в виде жидкокристаллического дисплея, а радиатор (14) может быть радиатором с естественной конвекцией или радиатором с принудительной конвекцией.

Полезная модель содержит следующие графические материалы. На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового эталонного барометра. На фиг. 2 представлено устройство барокамеры. На фиг. 3 приведено схематическое устройство эталонного барометра в разрезе с радиатором с естественной конвекцией. На фиг. 4 - то же, с радиатором с принудительной конвекцией.

Осуществление полезной модели

Барометр эталонный содержит корпус (1), в котором расположены источник питания (2), микроконтроллер (3) с модулем преобразователя интерфейса (4), коммутатор (5), барокамера (6), полость (7) которой сообщается через штуцер (8) с атмосферой, печатная плата (9) со смонтированным на ней цифровым датчиком (10) давления и температуры, размещенная в корпусе (1) барометра и соединенная с корпусом (11) барокамеры (6) через герметизирующую прокладку (12); термоэлектрический модуль (13), соединенный одной поверхностью с оборотной стороной печатной платы (9) на участке под датчиком температуры и давления (10), а второй поверхностью с радиатором (14); средство (15) визуализации, установленное в окне (16) стенки корпуса (1) барометра. Источник питания (2) соединен через коммутатор (5) с термоэлектрическим модулем (13). Коммутатор (5), цифровой датчик (10) давления и температуры, средство визуализации (15) подключены к микроконтроллеру (3). Микроконтроллер (3), средство визуализации (15) и источник питания (2) выполнены с возможностью подключения к внешнему источнику питания (17). Микроконтроллер (3) выполнен с возможностью подключения к внешним цифровым устройствам через цифровой интерфейс (18), сигналы которого формируются модулем преобразователя интерфейса (4).

Средство (15) визуализации может быть выполнено в виде жидкокристаллического дисплея. Для повышения эффективности работы термоэлектрического модуля (13) барометр эталонный может быть оснащен радиатором (14) с принудительной конвекцией (фиг. 4).

Коммутатор (5) обеспечивает изменение полярности питания термоэлектрического модуля (13), а микроконтроллер (3) выполнен с возможностью подключения к внешним цифровым устройствам через цифровой интерфейс (18). Схема соединения узлов барометра эталонного показана на фиг. 1. Отличительной особенностью барометра эталонного является то, что область печатной платы (9) под цифровым датчиком (10) давления и температуры через теплопроводящий материал соединена с активной поверхностью термоэлектрического модуля (13). Микроконтроллер (3) формирует управляющее воздействие на термоэлектрический модуль (13) в зависимости от результатов измерения температуры, поступающих от канала измерения температуры цифрового датчика (10) давления и температуры, и обеспечивает поддержание температуры указанного датчика (10) в установленных пределах, обеспечивающих исключение влияния температуры окружающей среды на измерение абсолютного давления в барокамере (6) барометра эталонного.

Заявленный цифровой эталонный барометр (Фиг. 1-4) функционирует следующим образом. К герметичному объему барокамеры через входной штуцер (8) одновременно подключается испытательное оборудование для задания давления (на чертежах не показано) и менее точный барометр (на чертежах не показан), которому осуществляется передача единицы величины абсолютного давления. Барокамера сформирована из корпуса (11) и печатной платы (9) со смонтированным на ней цифровым датчиком (10) давления и температуры, например, ВМР388, которые соединены между собой герметизирующей прокладкой (12). На обратной стороне платы (9), на участке под датчиком (10) давления и температуры с использованием теплопроводящего материала, например, теплопроводящего клея Stars-922, закреплен термоэлектрический модуль (13), подключенный к источнику питания (2), через коммутатор (5), управляемый сигналами, формируемыми микроконтроллером (3). Второй поверхностью термоэлектрический модуль (13) соединен с использованием теплопроводящего материала, например, теплопроводящего клея Stars-922, с поверхностью радиатора (14) с естественной конвекцией или с принудительной конвекцией.

Цифровой датчик (10) давления и температуры измеряет абсолютное давление газовой среды в барокамере (6) и температуру чувствительного элемента самого датчика (10) и передает результаты измерений в виде цифрового кода в микроконтроллер (3), например, ESP32. Программное обеспечение микроконтроллера передает результат измерения абсолютного давления в виде цифрового кода в средство визуализации (15), например, жидкокристаллический дисплей, обеспечивает передачу результатов измерений во внешний интерфейс и прием команд по внешнему интерфейсу, например, универсальному последовательному интерфейсу, вычисляет отклонение температуры чувствительного элемента цифрового датчика (10) давления и температуры от установленного нормального значения, реализует закон управления, например, пропорциональный, формирует сигнал, обеспечивающий подключение источника питания (2) прямой или обратной полярностью к термоэлектрическому модулю (13) или отключает термоэлектрический модуль (13) от источника питания (2). При подключении термоэлектрического модуля (13) к источнику питания (2) прямой полярностью термоэлектрический модуль (13) охлаждает через печатную плату (9) цифровой датчик давления и температуры (10), а при подключении термоэлектрического модуля (13) к источнику питания (2) обратной полярностью термоэлектрический модуль (13) нагревает датчик (10) давления и температуры, в результате температура чувствительного элемента цифрового датчика (10) температуры и давления поддерживается в установленных пределах, не зависящих от температуры окружающей среды, чем достигается исключение влияния температуры окружающей среды на результат измерения абсолютного давления газовой среды в барокамере (6). Пример конкретного использования заявляемого барометра Экспериментально определено, что для заявляемого цифрового эталонного барометра с рабочим диапазоном температур окружающего воздуха (20±10)°С обеспечивается поддержание температуры цифрового датчика (10) давления и температуры с отклонением от заданного в программе управления значения не более ±0,1°С. Для датчиков давления и температуры типа ВМР388 температурный коэффициент составляет не более 0,75 Па/К (ВМР388. Digital pressure sensor. Datasheet. - URL: https://www.bosch-sensortecxoWmedia/boschsensortec/downloads/datasheets/bst-bmp388-ds001.pdf). При этом дополнительная погрешность барометра от влияния температуры без использования заявляемой полезной модели составит ±7,5 Па, а с использованием заявляемой полезной модели ±0,075 Па, что пренебрежимо мало и можно считать, что влияние температуры окружающего воздуха на результат измерения давления полностью исключено.

При одновременном подключении к входному штуцеру (8) барокамеры (6) испытательного оборудования, задающего произвольное давление в пределах диапазона измерений цифрового эталонного барометра, и менее точного барометра с неизвестными характеристиками, которому необходимо передать единицу величины абсолютного давления, выполняя синхронно измерения давления заявляемым эталонным барометром и менее точным барометром определяют характеристики менее точного барометра, чем обеспечивают передачу ему единицы величины абсолютного давления методом непосредственного сличения.

Claims (4)

1. Цифровой эталонный барометр, состоящий из средства измерения давления, микроконтроллера с модулем преобразователя интерфейса, средства визуализации, источника питания, отличающийся тем, что средство измерения давления выполнено в виде цифрового датчика давления и температуры, а барометр содержит корпус, в котором расположены источник питания, микроконтроллер с модулем преобразователя интерфейса, коммутатор, барокамера, полость которой сообщается через штуцер с атмосферой, печатная плата со смонтированным на ней цифровым датчиком давления и температуры, соединенная с корпусом барокамеры через герметизирующую прокладку, термоэлектрический модуль, прикрепленный с обратной стороны печатной платы в области под датчиком давления и температуры, радиатор, контактирующий с одной из поверхностей термоэлектрического модуля, средство визуализации, установленное в окне стенки корпуса барометра, причем, источник питания соединен через коммутатор с термоэлектрическим модулем; коммутатор, цифровой датчик давления и температуры, средство визуализации подключены к микроконтроллеру, микроконтроллер, средство визуализации и источник питания выполнены с возможностью подключения к внешнему источнику питания, микроконтроллер выполнен с возможностью подключения к внешним цифровым устройствам через цифровой интерфейс, сигналы которого формируются модулем преобразователя интерфейса.

2. Барометр по п. 1, отличающийся тем, что радиатор выполнен в виде радиатора с принудительной конвекцией.

3. Барометр по п. 1, отличающийся тем, что радиатор выполнен в виде радиатора с естественной конвекцией.

4. Барометр по п. 1, отличающийся тем, что средство визуализации выполнено в виде жидкокристаллического дисплея.

Images