RU2596073C2 - Method of digital signal processing of pressure sensors - Google Patents
Method of digital signal processing of pressure sensors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2596073C2 RU2596073C2 RU2014137783/28A RU2014137783A RU2596073C2 RU 2596073 C2 RU2596073 C2 RU 2596073C2 RU 2014137783/28 A RU2014137783/28 A RU 2014137783/28A RU 2014137783 A RU2014137783 A RU 2014137783A RU 2596073 C2 RU2596073 C2 RU 2596073C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pressure
- calibration
- temperature
- values
- digital
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области цифровой обработки сигнала в датчиках давления и может быть использовано для создания цифровых датчиков давления высокого класса точности, у которых показания соответствующего аналогового датчика зависят одновременно от двух факторов.The invention relates to the field of digital signal processing in pressure sensors and can be used to create digital pressure sensors of high accuracy class, in which the readings of the corresponding analog sensor depend simultaneously on two factors.
Например, некоторые аналоговые тензомостовые датчики давления, выполненные по технологии «кремний на сапфире», характеризуются нелинейностью от 0.1% до 2% и имеют зависимость коэффициента чувствительности порядка 0.1%/°С.For example, some analog strain-gauge pressure sensors made using the technology “silicon on sapphire” are characterized by non-linearity from 0.1% to 2% and have a sensitivity coefficient of about 0.1% / ° C.
Заявленное техническое решение позволяет путем цифровой обработки сигнала добиться у устройств, снабженных аналоговыми тензомостовыми датчиками давления, нелинейности не более 0.05% против 0.1%-2% у исходных аналоговых датчиков и температурного ухода коэффициента чувствительности не более 0.001%/°С в температурном диапазоне от -40°С до +80°С против 0.1%/°С у исходных аналоговых датчиков.The claimed technical solution allows, through digital signal processing, to achieve for devices equipped with analog strain-gauge pressure sensors, the nonlinearity is not more than 0.05% versus 0.1% -2% for the original analog sensors and the temperature deviation of the sensitivity coefficient is not more than 0.001% / ° C in the temperature range from - 40 ° С to + 80 ° С against 0.1% / ° С for the original analog sensors.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает возможность повышения класса точности известных как таковых аналоговых тензомостовых датчиков давления от класса 0,1-2(0.1%-2%) до датчиков давления высокой точности класса не хуже 0.05 (нелинейность не более 0.05%). В целом заявленное техническое решение обеспечивает повышение точности измерения давления на два порядка, более точно на примере заявленного технического решения до 80 раз.Thus, the claimed technical solution makes it possible to increase the accuracy class of the known analog tensom bridge pressure sensors from class 0.1-2 (0.1% -2%) to pressure sensors of high accuracy with a class not worse than 0.05 (non-linearity not more than 0.05%). In general, the claimed technical solution provides an increase in the accuracy of measuring pressure by two orders of magnitude, more accurately by the example of the claimed technical solution up to 80 times.
При этом следует отметить, что заявленный способ цифровой обработки сигнала(ов) может быть применен к датчикам различных физических величин, нелинейности которых находятся в произвольной зависимости от внешних параметров, как то для датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла, датчиков ИК излучения, датчиков концентрации различных газов и т.д.It should be noted that the claimed method of digital processing of signal (s) can be applied to sensors of various physical quantities, the non-linearities of which are arbitrarily dependent on external parameters, such as for magnetic field sensors based on the Hall effect, IR radiation sensors, concentration sensors various gases, etc.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлен ряд технических решений, приведенных далее:From the investigated prior art, the applicant identified a number of technical solutions, the following:
1. В техническом решении [1] калибровка однопараметрического датчика с последующей цифровой обработкой сигнала с применением алгоритма одномерной обратной интерполяции.1. In the technical solution [1], the calibration of a one-parameter sensor with subsequent digital signal processing using the algorithm of one-dimensional inverse interpolation.
Сущность известного решения заключается в том, что измеряемая величина вычисляется по записанным на этапе калибровки табличным значениям отклика датчика при известных калибровочных значениях давления. Промежуточные значения давления определяются с помощью обратной одномерной интерполяции.The essence of the known solution lies in the fact that the measured value is calculated from the tabulated values of the sensor response recorded at the calibration stage at known calibration pressure values. Intermediate pressure values are determined using inverse one-dimensional interpolation.
Недостатком данного способа является невозможность компенсации температурных уходов показаний вследствие того, что алгоритм одномерной обратной интерполяции применим только к калибровке однопараметрических датчиков и не может помимо давления учитывать температуру.The disadvantage of this method is the inability to compensate for temperature readings due to the fact that the one-dimensional inverse interpolation algorithm is applicable only to the calibration of one-parameter sensors and cannot take temperature into account in addition to pressure.
2. В техническом решении [3] представлен способ коррекции растра сканирующего микроскопа, заключающийся в применении алгоритма обратной двумерной интерполяции. Сущность известного решения заключается в том, что изображение, получаемое на электронном сканирующем микроскопе, корректируется с использованием калибровочной таблицы. Калибровочная таблица содержит поправки к измеряемым координатам, которые, в свою очередь, зависят от двух координат отклонения луча. Поправки вычисляются по двумерной калибровочной таблице с помощью алгоритма обратной двумерной интерполяции, реализованного на персональном компьютере.2. In the technical solution [3], a method for correcting a raster of a scanning microscope is presented, which consists in applying the inverse two-dimensional interpolation algorithm. The essence of the known solution lies in the fact that the image obtained on an electronic scanning microscope is adjusted using a calibration table. The calibration table contains corrections to the measured coordinates, which, in turn, depend on the two coordinates of the beam deflection. Corrections are calculated using a two-dimensional calibration table using the inverse two-dimensional interpolation algorithm implemented on a personal computer.
Недостатком данного способа является вычислительная сложность алгоритма, рассчитанного на реализацию на персональном компьютере, а не на встраиваемые применения. Кроме того, указанный способ не предназначен для непосредственного применения в цифровых датчиках физических величин.The disadvantage of this method is the computational complexity of the algorithm, designed for implementation on a personal computer, and not for embedded applications. In addition, this method is not intended for direct use in digital sensors of physical quantities.
3. Из зарубежных источников информации заявителем выявлено техническое решение [5] Thomas A., Besser S. Hall effect measurement instrument with temperature compensation // Patent US 20140132254 A2 - 2014. Сущность заключается в использовании установки измерения эффекта Холла, включающей в себя датчик Холла и температурный датчик в непосредственной близости друг к другу, консоль для отображения данных, узел сбора и обработки данных, получающий сигнал от датчика Холла и поставляющий некорректированный набор данных, модуль температурной коррекции, предназначенный для вычисления поправочных индексов для нескорректированных данных, и модуль коррекции данных, имеющий на выходе скорректированные по температуре результаты измерений. Техническое решение по совокупности признаков совпадает с российским патентом [2], приведенным далее в качестве прототипа, при этом принципиальное отличие заключается в том, что вместо датчика давления в указанном патенте [5] применен датчик Холла.3. From foreign sources of information, the applicant identified a technical solution [5] Thomas A., Besser S. Hall effect measurement instrument with temperature compensation // Patent US 20140132254 A2 - 2014. The essence is to use the Hall effect measurement setup, which includes a Hall sensor and a temperature sensor in close proximity to each other, a console for displaying data, a data collection and processing unit that receives a signal from the Hall sensor and supplies an uncorrected data set, a temperature correction module for calculating correction and indices for the uncorrected data, and data correction module having an output corrected for temperature measurements. The technical solution for the totality of the signs coincides with the Russian patent [2], given below as a prototype, while the fundamental difference is that instead of the pressure sensor in the specified patent [5], a Hall sensor is used.
Недостатком указанного способа является применение простейшего способа компенсации температурных дрейфов, заключающегося в расчете поправочных коэффициентов, что не учитывает различный характер нелинейности(ей), вследствие чего не реализуются в полной мере возможности высокоточной калибровки цифровых датчиков.The disadvantage of this method is the use of the simplest method of compensating for temperature drifts, which consists in calculating correction factors, which does not take into account the different nature of the nonlinearity (s), as a result of which the possibilities of high-precision calibration of digital sensors are not fully realized.
Наиболее близким аналогом, выбранным заявителем в качестве прототипа заявленного технического решения, по совокупности заявленных признаков и достигаемым техническим результатам является способ калибровки, осуществляемый в применении к датчикам давления [2].The closest analogue selected by the applicant as a prototype of the claimed technical solution, according to the totality of the claimed features and the achieved technical results, is a calibration method applied to pressure sensors [2].
В указанном выше техническом решении [2] датчик калибруется для различных значений температур. Сущность которого заключается в том, что способ определения характеристик датчика давления устройства обработки информации, содержащий следующие этапы:In the above technical solution [2], the sensor is calibrated for various temperatures. The essence of which is that the method of determining the characteristics of the pressure sensor of the information processing device, comprising the following steps:
- подают множество давлений на датчик давления устройства обработки информации в пределах диапазона давлений, используемого для определения характеристик;- apply a lot of pressure to the pressure sensor of the information processing device within the pressure range used to determine the characteristics;
- принимают от датчика давления выходные сигналы, соответствующие приложенному давлению; и- receive output signals from the pressure sensor corresponding to the applied pressure; and
- определяют корректировочное соотношение на основе упомянутых выходных сигналов, поступивших от датчика давления, при этом упомянутое множество приложенных давлений неравномерно распределено в упомянутом диапазоне давлений, используемом для определения характеристик, и корректировочное соотношение является функцией от упомянутого множества приложенных давлений, неравномерно распределенных в пределах диапазона давлений, причем упомянутый этап приложения множества давлений содержит приложение давлений, которые в области более низких давлений расположены друг от друга с меньшим интервалом по сравнению с областью более высоких давлений, и упомянутый этап приложения множества давлений осуществляется при более чем одной температуре, причем этап приложения множества давлений содержит перемещение текучей среды через первичный преобразовательный элемент для создания перепада давления.- determining a correction ratio based on said output signals from the pressure sensor, wherein said plurality of applied pressures are unevenly distributed in said pressure range used to determine characteristics, and the correction ratio is a function of said plurality of applied pressures unevenly distributed within the pressure range wherein said step of applying a plurality of pressures comprises applying pressures which are no longer in the region The viscous pressures are spaced apart from each other with a shorter interval than the region of higher pressures, and said step of applying a plurality of pressures is carried out at more than one temperature, the step of applying a plurality of pressures comprises moving the fluid through the primary pressure transducer to create a pressure differential.
В целом сущность известного решения заключается в том, что калибровка датчика с последующим применением одномерной обратной интерполяции выполняется для различных температур, в результате чего получается усредненная по температуре передаточная характеристика датчика. После этого вводится поправочный множитель, зависящий от температуры, для которого также применяется одномерная обратная интерполяция. В результате калибровочная передаточная характеристика датчика представляет собой частный случай произведения усредненной передаточной характеристики и функции коррекции температурного ухода, т.е. эта характеристика оказывается искусственно факторизована.In general, the essence of the known solution lies in the fact that the calibration of the sensor with the subsequent application of one-dimensional inverse interpolation is performed for different temperatures, resulting in a temperature-averaged transfer characteristic of the sensor. After this, a temperature-dependent correction factor is introduced, for which one-dimensional inverse interpolation is also applied. As a result, the calibration transfer characteristic of the sensor is a special case of the product of the averaged transfer characteristic and the correction function of the temperature drift, i.e. this characteristic is artificially factorized.
Таким образом, основополагающим недостатком представленного выше способа является применение простейшего способа компенсации температурных дрейфов, заключающегося в расчете поправочных коэффициентов, вследствие чего не реализуются в полной мере возможности калибровки цифровых датчиков по следующим причинам:Thus, the fundamental disadvantage of the above method is the use of the simplest method for compensating for temperature drifts, which consists in calculating correction coefficients, as a result of which the calibration of digital sensors is not fully realized for the following reasons:
- не удается достичь требуемого более высокого класса точности,- it is not possible to achieve the required higher accuracy class,
- требуется вводить большое число калибровочных точек.- A large number of calibration points are required.
Более детально, сущность известного способа заключается в том, что показания датчика фиксируются для нескольких приложенных калибровочных значений давления, причем интервалы между калибровочными значениями меньше в области низких давлений.In more detail, the essence of the known method lies in the fact that the sensor readings are recorded for several applied calibration pressure values, and the intervals between calibration values are less in the low pressure range.
Неравномерным расположением калибровочных точек на калибровочной шкале достигается повышенная точность калибровки в начале измерительной шкалы датчика. Этап приложения серии калибровочных давлений повторяется для нескольких значений температур, после чего применяется линейная интерполяция для расчета измеряемого давления по показаниям датчика при промежуточных между калибровочными точками давлениях, а также линейная интерполяция для расчета угла наклона передаточной характеристики датчика при промежуточных температурах. В указанном способе калибровки датчиков, основанном на принципе, представленном в работе [2], есть несколько недостатков, раскрываемых детально далее:The uneven arrangement of the calibration points on the calibration scale achieves increased calibration accuracy at the beginning of the measuring scale of the sensor. The step of applying a series of calibration pressures is repeated for several temperatures, after which linear interpolation is used to calculate the measured pressure from the sensor at intermediate pressures between the calibration points, as well as linear interpolation to calculate the angle of inclination of the sensor transfer characteristic at intermediate temperatures. In this method of sensor calibration, based on the principle presented in [2], there are several disadvantages, which are described in more detail below:
1. Нацеленность работы [2] на расширение числа измерительных диапазонов датчиков, вследствие чего калибровочные значения давления имеют меньшие интервалы в начале измерительной шкалы. При этом интерполяция по калибровочным точкам в верхней части измерительной шкалы будет давать худшие результаты в верхней части шкалы по сравнению с равномерным распределением калибровочных точек.1. The focus of work [2] on expanding the number of measuring ranges of sensors, as a result of which the calibration pressure values have shorter intervals at the beginning of the measuring scale. In this case, interpolation by calibration points in the upper part of the measuring scale will give worse results in the upper part of the scale in comparison with a uniform distribution of calibration points.
2. Применение простейших алгоритмов интерполяции не реализует в полной мере возможности цифровой обработки сигнала, вследствие чего создание цифрового датчика высокого класса точности либо накладывает высокие требования на соответствующий аналоговый датчик, либо требует введения большого числа калибровочных точек давления.2. The use of simple interpolation algorithms does not fully realize the possibilities of digital signal processing, as a result of which the creation of a high-accuracy digital sensor either imposes high requirements on the corresponding analog sensor or requires the introduction of a large number of pressure calibration points.
3. Рассмотренный способ применяется только к компенсации температурных дрейфов датчиков давления и предполагает близкой к линейной зависимость чувствительности датчика от температуры.3. The considered method is applied only to compensation of temperature drifts of pressure sensors and assumes a close to linear dependence of the sensor sensitivity on temperature.
Заявленное техническое решение поясняется Фиг. 1-3.The claimed technical solution is illustrated in FIG. 1-3.
На Фиг. 1 представлен способ цифровой обработки сигнала датчиков давления (блок-схема заявленного двухпараметрического цифрового датчика).In FIG. 1 shows a method of digitally processing a signal from pressure sensors (a block diagram of the claimed two-parameter digital sensor).
На Фиг. 2 представлена принципиальная блок-схема устройства двухпараметрического цифрового датчика с измерительным мостовым датчиком, сопротивление которого зависит от температуры, а именно представлена операция кусочной одномерной параболической интерполяции.In FIG. 2 is a schematic block diagram of a two-parameter digital sensor device with a measuring bridge sensor, the resistance of which depends on temperature, namely, the operation of piecewise one-dimensional parabolic interpolation is presented.
На Фиг. 3 представлена (блок-схема цифровой обработки сигнала датчиков давления - прототип).In FIG. 3 presents (a block diagram of a digital signal processing of pressure sensors - a prototype).
Основной целью заявленного технического решения является устранение недостатков прототипа, а именно:The main purpose of the claimed technical solution is to eliminate the disadvantages of the prototype, namely:
- достижение высокого класса точности,- achievement of a high class of accuracy,
- исключение необходимости большого числа калибровочных точек.- eliminating the need for a large number of calibration points.
Кроме указанного реализация указанных целей приводит, как следствие:In addition to the specified implementation of these goals leads, as a result:
- к устранению влияния различного характера нелинейностей при различных температурах работы на измерительные свойства датчика,- to eliminate the influence of a different nature of non-linearities at different operating temperatures on the measuring properties of the sensor,
- расширению диапазона рабочих температур при прочих равных условиях,- expanding the range of operating temperatures, ceteris paribus,
- возможности применения имеющихся на рынке датчиков различной конструкции,- the possibility of using sensors on the market of various designs,
- возможности применения имеющихся на рынке датчиков различного принципа,- the possibility of using available on the market sensors of various principles,
- предоставляется возможность применения указанного алгоритма в датчиках других физических величин.- it is possible to use this algorithm in sensors of other physical quantities.
В конечном счете указанные преимущества обеспечивают конкурентоспособность производимой продукции, импортозамещение, экономическую эффективность применения заявленного технического решения по назначению.Ultimately, these advantages ensure the competitiveness of products, import substitution, economic efficiency of the application of the claimed technical solution for the intended purpose.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что в способе цифровой обработки сигнала датчиков давления, заключающемся в цифровой обработке сигналов, соответствующих одновременно двум физическим величинам давления и температуры, выраженных напряжениями А и В соответственно, выполняют калибровку показаний значения давления, согласно изобретению выполняют преобразование выходного напряжения А датчика в цифровой код Ad, выполняют преобразование падения напряжения В в цифровой код Bd, цифровой код Ad сравнивают с калибровочными значениями, хранящимися в энергонезависимой памяти узла обработки сигнала, посредством кусочной одномерной параболической интерполяции находят соответствующие всем калибровочным температурам эффективные интерполяционные значения величины давления X1, посредством кусочной одномерной параболической интерполяции для всех калибровочных значений температур получают набор эффективных величин кодов tint, соответствующих различным калибровочным температурам, затем получают физическую величину температуры fint=X2, затем получают физическую величину давления fint=X1, а полученные в виде цифрового кода величины давления X1 и температуры Х2 выводятся на дисплей или передаются по цифровому интерфейсу для дальнейшей обработки и использования.The essence of the claimed technical solution lies in the fact that in the method of digitally processing the signal from pressure sensors, which consists in digitally processing signals corresponding to two physical quantities of pressure and temperature, expressed by voltages A and B, respectively, calibrate the readings of the pressure value, according to the invention, the output voltage A of the sensor into digital code Ad, the voltage drop B is converted to digital code Bd, digital code Ad is compared with calibers Using the piecewise one-dimensional parabolic interpolation for all calibration temperature values, we obtain a set of effective values of the tint codes corresponding to different calibration temperatures, using piecewise one-dimensional parabolic interpolation, find the effective interpolation values of pressure X1 corresponding to all calibration temperatures then get the physical value of temperature fint = X2, then get phys ical value fint = X1 pressure, and the resulting pressure as a digital code quantity X1 and X2 temperature are displayed or transmitted over a digital interface for further processing and use.
При этом следует констатировать то, что техническая сущность заявленного технического решения в целом качественно схожа по совокупности некоторых совпадающих признаков и некоторым достигаемым техническим результатам, изложенным в работе [2], и заключается в реализации алгоритма обратной двумерной интерполяции, выполненного в виде последовательности действий кусочно-параболической интерполяции. При этом должно выполняться взаимно однозначное соответствие для сочетания двух измеряемых физических величин (например, температура и давление) и сочетание соответствующих им измеренных значений (например, коды на выходе аналогово-цифровых преобразователей с неидеального температурного датчика и неидеального датчика давления).It should be noted that the technical essence of the claimed technical solution is generally qualitatively similar in terms of the combination of some coinciding features and some achievable technical results set forth in [2], and consists in the implementation of an inverse two-dimensional interpolation algorithm performed in the form of a sequence of piecewise parabolic interpolation. In this case, a one-to-one correspondence must be fulfilled for a combination of two measured physical quantities (e.g. temperature and pressure) and a combination of the corresponding measured values (for example, codes at the output of analog-to-digital converters from a non-ideal temperature sensor and non-ideal pressure sensor).
Реализация заявленного способа заключается в выполнении следующей последовательности действий:The implementation of the claimed method consists in the following sequence of actions:
1. Калибровка двухпараметрического датчика физической величины путем приложения к датчику эталонных значений. Калибровочные значения (отклик датчика) заносятся в калибровочную таблицу.1. Calibration of a two-parameter physical quantity sensor by applying reference values to the sensor. Calibration values (sensor response) are entered in the calibration table.
2. Применение алгоритма обратной двумерной интерполяции, на входе которого два параметра, являющихся откликом двухпараметрического датчика физической величины, на выходе - числовые значения физической величины.2. Application of the inverse two-dimensional interpolation algorithm, at the input of which there are two parameters, which are the response of a two-parameter sensor of a physical quantity, and at the output, numerical values of a physical quantity.
Таким образом, основываясь на изложенном выше, заявленный способ, по сравнению с наиболее близкими аналогами, выбранными в качестве прототипа [2], позволяет реализовать следующие технические преимущества:Thus, based on the foregoing, the claimed method, in comparison with the closest analogues selected as a prototype [2], allows to realize the following technical advantages:
1. Повышение класса точности цифрового датчика давления по сравнению с его аналоговой основой характеризуется коэффициентом не хуже 80 раз, при числе равномерно распределенных на интервале измерений калибровочных точек, равном десяти. То есть, например, если исходный датчик давления обладал нелинейностью передаточной характеристики 2%, заявленный способ обеспечит восстановление измеренных значений давления по калибровочной таблице из 10 точек с точностью не хуже 0.05%.1. An increase in the accuracy class of a digital pressure sensor compared to its analog base is characterized by a coefficient of no worse than 80 times, with the number of calibration points evenly distributed over the measurement interval equal to ten. That is, for example, if the original pressure sensor had a non-linearity of the transfer characteristic of 2%, the claimed method will ensure the restoration of the measured pressure values from the calibration table of 10 points with an accuracy of no worse than 0.05%.
2. В случае применения способа к компенсации температурных дрейфов датчиков компенсация температурного дрейфа нуля шкалы и угла наклона передаточной характеристики характеризуется коэффициентом не хуже 100 при числе температур калибровки, равном трем. То есть, например, если исходный аналоговый датчик имел температурный коэффициент чувствительности 0.1%/°С, заявленный способ обеспечит восстановление измеренных значений с эквивалентным температурным дрейфом цифрового датчика не хуже 0.001%/°С в температурном интервале шириной 120°С.2. In the case of applying the method to compensation of temperature drifts of sensors, compensation of the temperature drift of the scale zero and the angle of inclination of the transfer characteristic is characterized by a coefficient of no worse than 100 with the number of calibration temperatures equal to three. That is, for example, if the original analog sensor had a temperature coefficient of sensitivity of 0.1% / ° C, the claimed method will ensure the restoration of the measured values with an equivalent temperature drift of the digital sensor is not worse than 0.001% / ° C in a temperature range of 120 ° C wide.
3. Снижается минимальное необходимое число калибровочных точек, требуемых для калибровки цифрового датчика давления заданного класса точности, при прочих равных условиях.3. The minimum required number of calibration points required for calibration of a digital pressure sensor of a given accuracy class is reduced, ceteris paribus.
Характерной особенностью заявленного технического решения является возможность создания цифровых датчиков физических величин высокого класса точности при минимальных вычислительных нагрузках на узел цифровой обработки сигнала датчика и при минимальном числе калибровочных точек.A characteristic feature of the claimed technical solution is the possibility of creating digital sensors of physical quantities of high accuracy class with minimal computational loads on the digital signal processing node of the sensor and with a minimum number of calibration points.
Получение данных результатов обеспечивается за счет характерной особенности заявленного технического решения, заключающегося в применении оригинального алгоритма обратной двумерной интерполяции к восстановлению промежуточных между калибровочными точками значений физических величин.Obtaining these results is provided due to the characteristic feature of the claimed technical solution, which consists in applying the original algorithm of inverse two-dimensional interpolation to restore intermediate values of physical quantities between calibration points.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг. 1, на которой приведена блок-схема двухпараметрического цифрового датчика, и Фиг. 2, на которой приведена операция кусочной одномерной параболической интерполяции, и формула его расчетаThe claimed technical solution is illustrated in FIG. 1, which shows a block diagram of a two-parameter digital sensor, and FIG. 2, which shows the operation of piecewise one-dimensional parabolic interpolation, and the formula for its calculation
а в качестве примера приведена принципиальная блок-схема устройства с измерительным мостовым датчиком, сопротивление которого зависит от температуры.and as an example, a basic block diagram of a device with a measuring bridge sensor, the resistance of which depends on temperature, is given.
Заявленный способ реализации калибровки двухпараметрического датчика осуществляется посредством следующих элементов: 1 - мостовой датчик давления, имеющий зависимость сопротивления от температуры, 2 - измерительный токовый шунт-датчик температуры, 3 и 4 - аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), 5 - микропроцессорный узел цифровой обработки сигнала.The claimed method for implementing the calibration of a two-parameter sensor is carried out by means of the following elements: 1 - a bridge pressure sensor having a temperature dependence of resistance, 2 - a measuring current shunt temperature sensor, 3 and 4 - analog-to-digital converters (ADC), 5 - microprocessor-based digital processing unit signal.
Заявленное техническое решение осуществляется посредством реализации следующей последовательности операций:The claimed technical solution is carried out through the implementation of the following sequence of operations:
1. Подготовительная операция. Двухпараметрический цифровой датчик давления калибруется путем приложения к датчику эталонных значений с помощью задатчика давления. Значения АЦП 3 и 4 заносятся в энергонезависимую память узла 5. Калибровка датчика выполняется для различных эталонных значений температур и значений давления, минимальное число каждых из них равно трем. В роли температуры может выступать другой параметр. Для простоты изложения, в дальнейшем рассматривается давление в качестве первого параметра А и температура в качестве второго параметра В.1. The preparatory operation. A two-parameter digital pressure sensor is calibrated by applying reference values to the sensor using a pressure adjuster. The values of the
2. Выполняется преобразование выходного напряжения А мостового датчика R1-R4 в цифровой код. Выходное напряжение датчика зависит как от измеряемой физической величины, так и, в меньшей степени, от температуры.2. The output voltage A of the bridge sensor R1-R4 is converted to a digital code. The output voltage of the sensor depends both on the measured physical quantity and, to a lesser extent, on temperature.
3. Выполняется преобразование падения напряжения В на токовом шунте R5 в цифровой код. Падение напряжения на шунте R5 зависит как от температуры, так и, в меньшей степени, от измеряемой физической величины.3. The voltage drop V on the current shunt R5 is converted to a digital code. The voltage drop across the shunt R5 depends both on the temperature and, to a lesser extent, on the measured physical quantity.
4. Цифровой код Ad сравнивается с калибровочными значениями, хранящимися в энергонезависимой памяти микропроцессорного цифрового узла обработки сигнала. С помощью кусочной одномерной параболической интерполяции, схематично показанной на Фиг.2, находятся соответствующие всем калибровочным температурам эффективные интерполяционные значения физической величины X1. В роли x1, x2, x3 на Фиг.2 выступают калибровочные значения кода АЦП Ad для фиксированной калибровочной температуры, в роли xint - код АЦП Ad для текущего измерения, в роли f1, f2, f3 - калибровочные значения давления для фиксированной температуры, в роли fint - эффективное давление при данной калибровочной температуре. Результатом этой операции будет набор эффективных величин давления tint, соответствующих различным калибровочным температурам.4. The digital code Ad is compared with calibration values stored in the non-volatile memory of the microprocessor digital signal processing unit. Using piecewise one-dimensional parabolic interpolation, schematically shown in FIG. 2, effective interpolation values of the physical quantity X1 corresponding to all calibration temperatures are found. In the role of x 1 , x 2 , x 3 in Figure 2, calibration values of the ADC code Ad for a fixed calibration temperature are played, in the role of x int is the ADC code Ad for the current measurement, in the role of f 1 , f 2 , f 3 are calibration values pressure for a fixed temperature, in the role of f int is the effective pressure at a given calibration temperature. The result of this operation will be a set of effective values of pressure t int corresponding to different calibration temperatures.
5. Операция кусочной одномерной параболической интерполяции повторяется для всех калибровочных температур следующим образом. В роли х1 х2, х3 выступают калибровочные значения давления для фиксированной калибровочной температуры, в роли xint - эффективное значение давления для данной калибровочной температуры, полученное на предыдущем этапе, в роли f1, f2, f3 - калибровочные значения кода АЦП Bd, в роли fint - эффективный код АЦП Bd. Результатом этой операции будет набор эффективных величин кодов АЦП 4 fint, соответствующих различным калибровочным температурам.5. The operation of piecewise one-dimensional parabolic interpolation is repeated for all calibration temperatures as follows. In the role of x 1 x 2 , x 3 are the calibration pressure values for a fixed calibration temperature, in the role of x int is the effective pressure value for a given calibration temperature obtained in the previous step, in the role of f 1 , f 2 , f 3 are the calibration code values ADC Bd, in the role of f int - effective ADC code Bd. The result of this operation will be a set of effective values of the ADC 4 f int codes corresponding to different calibration temperatures.
6. Операция кусочной одномерной параболической интерполяции повторяется следующим образом. В роли x1, x2, x3 выступают эффективные значения кода АЦП 4, полученные на предыдущем шаге, в роли xint - текущий код АЦП Bd, в роли f1, f2, f3 - калибровочные значения температуры, в роли fint - текущее значение температуры. Результатом этой операции будет физическая величина температуры fint=X2.6. The operation of piecewise one-dimensional parabolic interpolation is repeated as follows. The effective values of the ADC 4 code obtained in the previous step are x 1 , x 2 , x 3 , the current ADC code Bd is x int , the temperature values are f 1 , f 2 , f 3 and f int is the current temperature value. The result of this operation will be the physical value of temperature f int = X2.
7. Операция кусочной одномерной параболической интерполяции повторяется следующим образом. В роли x1, х2, х3 выступают эффективные значения кода АЦП 4, полученные в операции 5, в роли xint - текущий код АЦП Bd, в роли f1, f2, f3 - калибровочные значения давления, в роли fint - текущее значение давления. Результатом этой операции будет физическая величина давления fint=X1.7. The operation of piecewise one-dimensional parabolic interpolation is repeated as follows. The effective values of the ADC 4 code obtained in
8. Полученные в виде цифрового кода величины X1 и X2 выводятся на дисплей или передаются по цифровому интерфейсу для дальнейшей обработки и использования.8. The values X 1 and X2 obtained as a digital code are displayed or transmitted via a digital interface for further processing and use.
Отличие заявленного технического решения известных в мире аналогов [1-5] заключается в следующем. Для восстановления измеренной физической величины давления с учетом зависимости показания аналогового датчика от другого паразитного внешнего фактора, например, температуры, используется оригинальный алгоритм обратной двумерной интерполяции, реализованный путем последовательного применения прямой кусочно-параболической интерполяции. В отличие от простых интерполяционных алгоритмов заявленное техническое решение обеспечивает более высокий класс точности датчика при прочих равных условиях. В отличие от метода введения поправочных коэффициентов для различных температур в работе [2], заявленный способ оказывается нечувствительным к изменению вида передаточной характеристики при различных температурах, что важно, если датчик имеет несколько зависящих от температуры вкладов в нелинейность. Так, в тензометрических датчиках давления кроме нелинейности тензоэлемента имеется дополнительный вклад в нелинейность от механического мембранного преобразователя давление-смещение. При этом суммарная нелинейность может иметь как положительную, так и отрицательную вторую производную от передаточной характеристики.The difference of the claimed technical solution of world-famous analogues [1-5] is as follows. To restore the measured physical pressure value taking into account the dependence of the analog sensor reading on another parasitic external factor, for example, temperature, the original inverse two-dimensional interpolation algorithm is used, implemented by sequential application of direct piecewise parabolic interpolation. Unlike simple interpolation algorithms, the claimed technical solution provides a higher accuracy class of the sensor, ceteris paribus. In contrast to the method of introducing correction factors for various temperatures in [2], the claimed method is insensitive to a change in the type of transfer characteristic at different temperatures, which is important if the sensor has several temperature-dependent contributions to nonlinearity. So, in strain gauge pressure sensors, in addition to the nonlinearity of the strain gauge, there is an additional contribution to the nonlinearity from the mechanical pressure-displacement membrane transducer. In this case, the total non-linearity can have both positive and negative second derivatives of the transfer characteristic.
Важные для практического применения отличия приведены в Таблице 1.The differences that are important for practical use are shown in Table 1.
Описанный способ может быть применен к датчикам давления различного типа, как использующим тензопреобразователь, в которых в роли второго параметра, используемого в способе, выступает ток через измерительный мост, так и к однопараметрическим емкостным, при этом предполагается использование еще одного датчика фактора, вызывающего дрейф показаний основного параметра, например, температуры.The described method can be applied to pressure sensors of various types, both using a strain transducer, in which the current through the measuring bridge acts as the second parameter used in the method, and to one-parameter capacitive ones, and it is assumed to use another sensor of the factor causing the drift of readings main parameter, for example, temperature.
Данные результаты получены вследствие того, что в заявленном изобретении применены (использованы известные в принципе как таковые в науке) по отдельности принципы, элементы способов, однако они не известны в заявленном сочетании признаков способа (применяемой технологии), вследствие вышеизложенного заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям и критерию «изобретательский уровень», т.к. не является очевидным для специалистов в данной области.These results are obtained due to the fact that in the claimed invention are applied (known known in principle as such in science), the principles and elements of the methods are used separately, however they are not known in the claimed combination of features of the method (technology used), because of the foregoing, the claimed technical solution meets the criterion " novelty "presented to inventions and the criterion of" inventive step ", because It is not obvious to specialists in this field.
Список литературыBibliography
[1] Min Wu, Shen-Chi Lin Calibration method for digital air pressure gauge // US Patent US 7,086,272 B2 - 2006.[1] Min Wu, Shen-Chi Lin Calibration method for digital air pressure gauge // US Patent US 7,086,272 B2 - 2006.
[2] Броден Д.Э., Фогэрти Т.П., Уиклунд Д.Ю., Бичи Т.К., Шумахер М.С. Калибровка датчика давления при выполнении технологического процесса // Патент РФ №2358250 С2 - 2009.[2] Broden D.E., Fogerty T.P., Wicklund D.Yu., Beachy T.K., Schumacher M.S. Calibration of the pressure sensor when performing the process // RF Patent No. 2358250 C2 - 2009.
[3] Chernov et al. High precision calibration and feature measurement system for a scanning probe microscope // US Patent US 5644512 - 1997.[3] Chernov et al. High precision calibration and feature measurement system for a scanning probe microscope // US Patent US 5644512 - 1997.
[4] Зубов Е.Г., Шевчук B.B. Способ измерения физической величины // Патент РФ №2422784 С1 - 2011.[4] Zubov EG, Shevchuk B.B. The method of measuring physical quantity // RF Patent No. 2422784 C1 - 2011.
[5] Thomas A., Besser S. Hall effect measurement instrument with temperature compensation // Patent US 20140132254 A2 - 2014.[5] Thomas A., Besser S. Hall effect measurement instrument with temperature compensation // Patent US 20140132254 A2 - 2014.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014137783/28A RU2596073C2 (en) | 2014-09-17 | 2014-09-17 | Method of digital signal processing of pressure sensors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014137783/28A RU2596073C2 (en) | 2014-09-17 | 2014-09-17 | Method of digital signal processing of pressure sensors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014137783A RU2014137783A (en) | 2016-04-10 |
| RU2596073C2 true RU2596073C2 (en) | 2016-08-27 |
Family
ID=55647540
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014137783/28A RU2596073C2 (en) | 2014-09-17 | 2014-09-17 | Method of digital signal processing of pressure sensors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2596073C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10718682B2 (en) * | 2015-02-05 | 2020-07-21 | Hella Kgak Hueck & Co. | Method for calibrating at least one sensor, in particular a pressure sensor, having at least one signal-conducting connection to at least one signal converter |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2358250C2 (en) * | 2003-09-30 | 2009-06-10 | Роузмаунт Инк. | Calibration of pressure sensor during engineering process |
| US20110153253A1 (en) * | 2009-12-23 | 2011-06-23 | Assaf Govari | Calibration system for a pressure-sensitive catheter |
| RU2422784C1 (en) * | 2009-11-27 | 2011-06-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of measuring physical quantity |
-
2014
- 2014-09-17 RU RU2014137783/28A patent/RU2596073C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2358250C2 (en) * | 2003-09-30 | 2009-06-10 | Роузмаунт Инк. | Calibration of pressure sensor during engineering process |
| RU2422784C1 (en) * | 2009-11-27 | 2011-06-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of measuring physical quantity |
| US20110153253A1 (en) * | 2009-12-23 | 2011-06-23 | Assaf Govari | Calibration system for a pressure-sensitive catheter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014137783A (en) | 2016-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9857782B2 (en) | Output value correction method for physical quantity sensor apparatus, output correction method for physical quantity sensor, physical quantity sensor apparatus and output value correction apparatus for physical quantity sensor | |
| EP0073217A1 (en) | Bridge circuit compensation for environmental effects | |
| KR101021791B1 (en) | Apparatus and method for compensated sensor output | |
| US9857823B2 (en) | Programmable temperature compensated voltage generator | |
| KR101375363B1 (en) | Apparatus for measuring temperature using thermistor | |
| JP3979358B2 (en) | Nonlinearity correction device for A / D conversion output data | |
| RU2596073C2 (en) | Method of digital signal processing of pressure sensors | |
| RU2384824C1 (en) | Pressure measuring device and method for preparation thereof for operation | |
| CN102594276B (en) | Gain calibration system for instrument amplifier and gain calibration method | |
| KR101040589B1 (en) | A method for temperature compensation of digital power meter | |
| JP5128910B2 (en) | Temperature correction apparatus and temperature correction method | |
| JP3244212B2 (en) | Digital measuring instrument | |
| JP2003032108A (en) | Linearity compensation device and linearity compensation method | |
| JPH0241077B2 (en) | ||
| JPH11118617A (en) | Temperature controller | |
| CN202737817U (en) | Gain calibrating system of instrument amplifier | |
| RU2333523C2 (en) | Transducer static characteristic correction method and device to this effect | |
| JP2021148513A (en) | Spectrum display device, spectrum display method, program for spectrum display device, and spectrum measurement system | |
| RU2585486C1 (en) | Method of measuring pressure and calibration based on tensobridge integrated pressure transducer | |
| Nikonova et al. | Software measurement information processing MEMS sensor | |
| RU2484435C1 (en) | Pressure measurement method, calibration method and pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system | |
| RU2789106C1 (en) | Method for measuring liquid or gas pressure and device for its implementation | |
| Žorić et al. | A simple 2D digital calibration routine for transducers | |
| JP2018115860A (en) | Measurement device | |
| JPS61209331A (en) | Input apparatus of temperature measuring resistor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |