RU2789106C1 - Method for measuring liquid or gas pressure and device for its implementation - Google Patents

Method for measuring liquid or gas pressure and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2789106C1
RU2789106C1 RU2022115186A RU2022115186A RU2789106C1 RU 2789106 C1 RU2789106 C1 RU 2789106C1 RU 2022115186 A RU2022115186 A RU 2022115186A RU 2022115186 A RU2022115186 A RU 2022115186A RU 2789106 C1 RU2789106 C1 RU 2789106C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
strain gauges
output
pressure
input
current
Prior art date
Application number
RU2022115186A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Александрович Гайский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт природно-технических систем" (ИПТС)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт природно-технических систем" (ИПТС) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт природно-технических систем" (ИПТС)
Application granted granted Critical
Publication of RU2789106C1 publication Critical patent/RU2789106C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment, intended for use in oceanology. The method for measuring the pressure of a liquid or gas with devices with membranes and strain gauges is that one or more membranes are placed (m+1)(n+1) -1 separate strain gauges, which have significant differences in sensitivity β to pressure P and sensitivity α to temperature θ, whose mathematical model is the product of polynomials of degree m for pressure and degree n for temperature, form a system of linear algebraic equations from the transformation functions of strain gauges, measure the relative changes in strain gauge resistances and calculate the measured pressure. In the device for measuring pressure according to the claimed method, a DC generator is used, containing a transistor with a current-setting resistor and the first differential amplifier, the first input of which is connected to the output of the DC voltage divider, the second input is connected to the emitter of the transistor, and the output is fed to the base of the transistor, the collector of the transistor through k current switches and strain gauges are fed to the input of a DC voltage source, the voltage outputs from the strain gauges through k potential switches are fed to the first input of the second differential amplifier, the second input of which is connected to the output of the DC voltage source, and the output is fed to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is the output of the informative signal.
EFFECT: reduction of the error of the nonlinearity of strain gauges and the influence of temperature.
3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для использования в океанологии и может быть использовано и в других областях, где требуются высокоточные долговечные недорогие измерители давления жидкости или газа. Известны широко используемые в океанологии тензорезистивные измерители гидростатического давления, например, [1. Левашов Д.Е. Техника экспедиционных исследований: Инструментальные методы и технические средства оценки промыслово-значимых факторов среды. М.: Изд-во ВНИРО, 2003. 400 с. Датчики и измерители гидростатического давления, С. 51-67], [2. Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 272 с.]The invention relates to measuring technology, is intended for use in oceanology and can be used in other areas where high-precision, durable, low-cost liquid or gas pressure meters are required. Known widely used in oceanology tensoresistive hydrostatic pressure meters, for example, [1. Levashov D.E. Expedition Research Technique: Instrumental Methods and Technical Means for Assessing Commercially Significant Environmental Factors. M.: Publishing House of VNIRO, 2003. 400 p. Sensors and meters of hydrostatic pressure, S. 51-67], [2. Stepanyuk I.A. Oceanological measuring transducers. L.: Gidrometeoizdat, 1986. 272 p.]

Датчики в этих известных измерителях содержат по четыре гензорезистора (металлических или полупроводниковых), размещенных на чувствительных к давлению мембранах и преобразующих механическое перемещение в электрическое сопротивление. Тензорезисторы обычно включены в плечи четырехплечего моста, с разными знаками чувствительности в смежных плечах для получения большей амплитуды выходного сигнала (постоянного или переменного тока) с диагонали моста. При этом используют для их изготовления современную интегральную технологию и стремятся сделать эти тензорезисторы идентичными и, например, [3. Ваганов В.И. Интегральное термопреобразование. М.: Энергоатомиздат, 1983. 136 с].The sensors in these well-known meters contain four genzoresistors (metal or semiconductor) placed on pressure-sensitive membranes and converting mechanical movement into electrical resistance. Strain gauges are usually included in the arms of a four-arm bridge, with different sensitivity signs in adjacent arms to obtain a larger output signal amplitude (DC or AC) from the bridge diagonal. At the same time, they use modern integrated technology for their manufacture and strive to make these strain gauges identical and, for example, [3. Vaganov V.I. Integral thermal transformation. Moscow: Energoatomizdat, 1983. 136 s].

С использованием интегральной технологии «кремний па сапфире» в отечественных промышленных измерительных преобразователях давления типа «Сапфир-22» достигнуты следующие нормируемые метрологические характеристики [1]: погрешность линейности по абсолютному значению не превышает ±0,3% диапазона выходного сигнала; случайная составляющая погрешности не выше ±0.1%; температурная погрешность не выше ±0,5-1% на 10°С. Однако таких точностных характеристик недостаточно для использования этих и других массовых тензометрических датчиков в высокоточных СТД-зондах и обычно для каждого датчика проводят индивидуальную градуировку, например, [4. Забурдаев В.И.. Мишуров В.Ж., Кузьмин К.А., Алексеев А.П. Результаты исследования индивидуальных метрологических характеристик датчиков давления типа "Сапфир". Сб. науч. тр. «Системы контроля окружающей среды» / Средства и информационные технологии // МГИ НАНУ. Севастополь. 2006. С.60-69].Using the integrated technology "silicon on sapphire" in domestic industrial pressure transducers of the "Sapphire-22" type, the following normalized metrological characteristics were achieved [1]: linearity error in absolute value does not exceed ±0.3% of the output signal range; the random component of the error is not higher than ±0.1%; temperature error is not higher than ±0.5-1% per 10°С. However, such accuracy characteristics are not enough to use these and other mass strain gauge sensors in high-precision STD probes, and usually individual calibration is carried out for each sensor, for example, [4. Zaburdaev V.I., Mishurov V.Zh., Kuzmin K.A., Alekseev A.P. The results of the study of individual metrological characteristics of pressure sensors of the "Sapphire" type. Sat. scientific tr. "Environmental control systems" / Means and information technologies // MGI NASU. Sevastopol. 2006. S.60-69].

Индивидуальная градуировка тензорезисторных датчиков по давлению и температуре позволяет примерно в 2-3 раза улучшить точность (до ±0,05%), но все равно не обеспечивает точности порядка ±0,01%, которая необходима в современных океанологических зондах.Individual calibration of strain gauge sensors for pressure and temperature makes it possible to improve the accuracy by about 2-3 times (up to ±0.05%), but still does not provide an accuracy of the order of ±0.01%, which is necessary in modern oceanographic probes.

Достаточно подробный точностной анализ измерителя гидростатического давления с тензометрическими датчиками, линейными по чувствительности к давлению и температуре проведен в [4] для измерителей с датчиками типа «Сапфир-22». В нем использованы 4 тензодатчика, включенных по мостовой схеме. Очевидно, что в борьбе за точность прежде всего необходимо избавиться от погрешностей нелинейности по давлению и температуре. Однако использование четырехплечего моста для включения 4-х тензорезисторов существенно увеличивает нелинейность сквозного канала (в данном случае выходного напряжения моста по отношению к давлению), поскольку при выработке выходного сигнала моста, имеет место перемножение характеристик двух датчиков, что даже при их линейности и неидентичности дает составляющие сигнала с квадратичной нелинейностью.A sufficiently detailed accuracy analysis of a hydrostatic pressure meter with strain gauge sensors linear in sensitivity to pressure and temperature was carried out in [4] for meters with sensors of the Sapphire-22 type. It uses 4 strain gauges connected in a bridge circuit. Obviously, in the struggle for accuracy, first of all, it is necessary to get rid of the nonlinearity errors in pressure and temperature. However, the use of a four-arm bridge to turn on 4 strain gauges significantly increases the non-linearity of the through channel (in this case, the output voltage of the bridge in relation to pressure), since when generating the output signal of the bridge, the characteristics of the two sensors are multiplied, which even with their linearity and non-identity gives signal components with quadratic non-linearity.

Для примера рассмотрим четырехплечий мост из линейных тензорезисторов в порядке против часовой стрелки сверху вниз, сопротивление которых равныFor example, consider a four-arm bridge of linear strain gauges in counterclockwise order from top to bottom, the resistance of which is equal to

Figure 00000001
Figure 00000001

При подаче напряжения

Figure 00000002
на вертикальную диагональ моста для выходного напряжения
Figure 00000003
на горизонтальной диагонали получимWhen voltage is applied
Figure 00000002
to the vertical diagonal of the bridge for the output voltage
Figure 00000003
on the horizontal diagonal we get

Figure 00000004
Figure 00000004

Примем

Figure 00000005
и, подставив выражения (1), получимAccept
Figure 00000005
and, substituting expressions (1), we obtain

Figure 00000006
Figure 00000006

Если все тензорезисторы идентичны, то все βi=β равны и выражение (3) преобразуется вIf all strain gauges are identical, then all β i =β are equal and expression (3) is converted into

Figure 00000007
Figure 00000007

что соответствует общепринятой модели без учета температурной зависимости.which corresponds to the generally accepted model without taking into account the temperature dependence.

Однако, имеют место технологические погрешности изготовления тензорезисторов на уровне, хотя бы десятых долей процента и новая неконтролируемая нелинейность будет формироваться также на этом уровне. Следовательно, использование мостовой схемы включения тензоэлементов, введенной ранее для повышения амплитуды выходного сигнала при слабочувствительных металлических тензорезисторах и потерявшей смысл для полупроводниковых тензорезисторов, чувствительность которых на два порядка выше, не целесообразна.However, there are technological errors in the manufacture of strain gauges at the level of at least tenths of a percent, and a new uncontrolled nonlinearity will also be formed at this level. Therefore, the use of a bridge circuit for connecting strain gauges, introduced earlier to increase the amplitude of the output signal with low-sensitivity metal strain gauges and lost its meaning for semiconductor strain gauges, the sensitivity of which is two orders of magnitude higher, is not advisable.

С учетом температурной зависимости сопротивлений тензорезисторов построение индивидуальной градуировочной характеристики становится громоздкой процедурой [4], приводит к необходимости одновременно измерять температуру тензорезисторов [4J или мембраны [5. Патент RU 2145007. Опубл. 10.07.2020. Бюл. №8. Мембранный датчик давления. Авторы Дьячков В.Н., Дьячков Н.В., Бирюнов К.И. и др.].Taking into account the temperature dependence of the resistance of strain gauges, the construction of an individual calibration characteristic becomes a cumbersome procedure [4], leads to the need to simultaneously measure the temperature of strain gauges [4J or membrane [5. Patent RU 2145007. Publ. 07/10/2020. Bull. No. 8. Membrane pressure sensor. Authors Dyachkov V.N., Dyachkov N.V., Biryunov K.I. and etc.].

При этом существенно усложняются устройства, градуировочная характеристика от двух измеряемых величин (давления и температуры), становится полиномом высокой степени (восьмой [4]) и неоднозначной. Что ограничивает возможности повышения точности измерения давления.At the same time, devices become much more complicated, the calibration characteristic from two measured values (pressure and temperature) becomes a polynomial of high degree (eighth [4]) and ambiguous. This limits the possibility of improving the accuracy of pressure measurement.

Целесообразно использовать схемно-алгоритмические способы повышения точности. Например, [6. Патент RU 2364847 С2. Опубл. 28.08.2009. Бюл. №23. Способ определения давления жидкости или газа. Автор Любимский B.M.]. В этом источнике для измерения двух неизвестных давлений двумя измерителями с известными разными функциями преобразования, но неизвестными «смещениями нуля» (аддитивными составляющими), зависящими от времени и температуры, осуществляют поочередное измерение первого и второе давлений первым и вторым измерителем, формируют систему из двух уравнений разности измерений и ее решением определяют первое и второе измеряемые давления, свободные от неизвестного «смещения нуля». Это предложение не решает задачу измерения гидростатического давления в океанологическом зонде и в более общих случаях измерения давления жидкости или газа. Однако по сути способа, использование нескольких каналов измерения и решения системы уравнений по результатам измерения, оно близко к предлагаемому способу и принимаем его за прототип.It is advisable to use circuit-algorithmic methods to improve accuracy. For example, [6. Patent RU 2364847 C2. Published 08/28/2009. Bull. No. 23. A method for determining the pressure of a liquid or gas. Author Lyubimsky B.M.]. In this source, to measure two unknown pressures by two meters with known different conversion functions, but unknown “zero offsets” (additive components) depending on time and temperature, the first and second pressures are alternately measured by the first and second meters, a system of two equations is formed the measurement difference and its solution determine the first and second measured pressures, free from the unknown "zero offset". This proposal does not solve the problem of measuring the hydrostatic pressure in an oceanographic probe and, in more general cases, measuring the pressure of a liquid or gas. However, in essence, the method, the use of several measurement channels and the solution of a system of equations based on the measurement results, it is close to the proposed method and we take it as a prototype.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения давления жидкости и газа приборами с тензорезисторными датчиками, упрощение реализации и снижение требований к точности изготовления гензорезисторных датчиков.The purpose of the invention is to improve the accuracy of measuring the pressure of liquid and gas by devices with strain gauge sensors, simplify implementation and reduce the requirements for accuracy in the manufacture of strain gauge sensors.

Эта цель достигается тем, что измерители гидростатического давления с мембранами выполняют с отдельными тензорезисторными чувствительными преобразователями, имеющими существенные различия по чувствительности β к давлению и по чувствительности α к температуре, математической моделью которых с достаточной точностью аппроксимирующей зависимости сопротивления от давления и температуры является произведение полиномов степени m для давления Р и степени n для температуры, формируют систему линейных алгебраических уравнений из функций преобразования, измеряют сопротивление

Figure 00000008
тензорезистора и давление вычисляют по выражениюThis goal is achieved by the fact that hydrostatic pressure meters with membranes are performed with separate strain gauge sensitive transducers that have significant differences in sensitivity β to pressure and sensitivity α to temperature, the mathematical model of which, with sufficient accuracy of approximating the dependence of resistance on pressure and temperature, is the product of polynomials of degree m for pressure P and power n for temperature, form a system of linear algebraic equations from the transformation functions, measure the resistance
Figure 00000008
strain gauge and pressure are calculated by the expression

Figure 00000009
Figure 00000009

где Δ - определи гель системы линейных алгебраических уравнений, коэффициенты i-ой строки расширенной матрицы которой имеют видwhere Δ - determine the gel of the system of linear algebraic equations, the coefficients of the i-th row of the extended matrix of which have the form

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
- определитель системы при замене в матрице определителя Δ столбца
Figure 00000014
на столбец
Figure 00000015
Where
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
- determinant of the system when replacing in the matrix of the determinant Δ column
Figure 00000014
per column
Figure 00000015

где

Figure 00000016
- градуировочное сопротивление i-го тензорезистора при начальных давлении и температуре;
Figure 00000017
- измеряемое сопротивление тензорезистора при измеряемом давлении и не измеряемой температуре θ в модели измерителяWhere
Figure 00000016
- calibration resistance of the i-th strain gauge at initial pressure and temperature;
Figure 00000017
- measured resistance of the strain gauge at measured pressure and not measured temperature θ in the meter model

Figure 00000018
Figure 00000018

Рассмотрим обоснование предложенного способа. Предполагаем, что возможно неточное изготовление полупроводниковых тензорезисторов с разными функциями преобразования, которые с удовлетворительной точностью аппроксимируются моделью из произведения полинома степени m для преобразования давления Р в сопротивление R и полинома степени n для преобразования температуры θ в сопротивление R. В этом случае для резисгорного гензоэлемента можем записатьConsider the rationale for the proposed method. We assume that it is possible to inaccurately manufacture semiconductor strain gauges with different conversion functions, which are approximated with satisfactory accuracy by a model from the product of a polynomial of degree m for converting pressure P into resistance R and a polynomial of degree n for converting temperature θ into resistance R. In this case, for a resistor generator element, we can write down

Figure 00000019
Figure 00000019

При этом разные коэффициенты чувствительности по давлению

Figure 00000020
и температуре
Figure 00000021
для разных датчиков
Figure 00000022
задаются технологическим путем с произвольным разбросом [7. Стучебников В.М. Тепзорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире». Измерение, контроль, автоматизация. №4 (44), 1982. С.15-26].At the same time, different pressure sensitivity coefficients
Figure 00000020
and temperature
Figure 00000021
for different sensors
Figure 00000022
are set technologically with an arbitrary spread [7. Stuchebnikov V.M. Thermistor transducers based on "silicon-on-sapphire" heteroepitaxial structures. Measurement, control, automation. No. 4 (44), 1982. S. 15-26].

После изготовления производится определение сопротивления R0 тензорезистора при начальной температуре (например, при минимальной) и нулевом атмосферном давлении. Далее при фиксированной температуре изменением давления идентифицируются т коэффициентов

Figure 00000023
полиномаAfter manufacturing, the resistance R 0 of the strain gauge is determined at the initial temperature (for example, at the minimum) and zero atmospheric pressure. Further, at a fixed temperature, by changing the pressure, m coefficients are identified
Figure 00000023
polynomial

Figure 00000024
Figure 00000024

а при фиксированном давлении идентифицируются n коэффициентов

Figure 00000025
полиномаand at a fixed pressure, n coefficients are identified
Figure 00000025
polynomial

Figure 00000026
Figure 00000026

Таким образом считаем т коэффициентов чувствительности

Figure 00000027
по давлению и n коэффициентов чувствительности
Figure 00000028
по температуре для одного конкретного тензорезистора известными.Thus, we consider m sensitivity coefficients
Figure 00000027
pressure and n sensitivity coefficients
Figure 00000028
temperature for one specific strain gauge known.

Для группы из k тензорезисторов справедливоFor a group of k strain gauges, it is true

Figure 00000029
Figure 00000029

где (m+1)(n+1)-1 = k - число тензорезисторов, равное k - числу всех неизвестных в уравнениях (1, 2), из которых интерес представляет одно Р или два Р и θ.where (m+1)(n+1)-1 = k is the number of strain gauges equal to k - the number of all unknowns in equations (1, 2), of which one P or two P and θ are of interest.

Пример 1 при m = 1 и n = 1, k = 3.Example 1 with m = 1 and n = 1, k = 3.

Figure 00000030
Figure 00000030

Расширенная матрица системы (11) имеет вид (12)The extended matrix of system (11) has the form (12)

Figure 00000031
Figure 00000031

Решение системы относительно РSolution of the system with respect to P

Figure 00000032
Figure 00000032

где

Figure 00000033
Where
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

Из приведенных выражений видно, что в решение системы уравнений относительно измеряемого давления входят только градуировочные коэффициенты чувствительности к давлению

Figure 00000035
и температуре
Figure 00000036
, а также коэффициенты относительного изменения сопротивлений датчиков
Figure 00000037
, контролируемые только по измеряемым сопротивлениям
Figure 00000038
Все другие величины заданы априорно.From the above expressions, it can be seen that the solution of the system of equations for the measured pressure includes only calibration coefficients of sensitivity to pressure
Figure 00000035
and temperature
Figure 00000036
, as well as the coefficients of the relative change in the resistance of the sensors
Figure 00000037
, controlled only by measured resistances
Figure 00000038
All other quantities are given a priori.

Второе неизвестное значение температуры θ и комбинаторные неизвестные Рθ нет необходимости определять из результатов измерений сопротивлений тензорезисторов и тем более измерять отдельно и вносить какую-либо еще дополнительную коррекцию. Вся необходимая информация для температурной коррекции уже содержится в расширенной матрице системы (12).The second unknown value of temperature θ and the combinatorial unknowns Pθ do not need to be determined from the results of measuring the resistances of strain gauges, much less measured separately and make any additional correction. All the necessary information for temperature correction is already contained in the extended matrix of the system (12).

Пример 2 m = 2, n = 2, k = 8.Example 2 m = 2, n = 2, k = 8.

Уравнение модели для i-го тензоэлементаModel equation for the i-th strain element

Figure 00000039
Figure 00000039

Строка расширенной матрицы системы (16) имеет видThe row of the extended matrix of system (16) has the form

Figure 00000040
Figure 00000040

Пример 3 Общий случай m = n, n = n, k = (m+1)(n+1) - 1Example 3 General case m = n, n = n, k = (m+1)(n+1) - 1

Модель системы в выражениях (4, 10). Строка в расширенной матрице системыSystem model in expressions (4, 10). Row in the expanded matrix of the system

Figure 00000041
Figure 00000041

из которой любым известным способом решения СЛАУ получаются измеренно-вычисленные значения Р по выражению (13).from which, by any known method of solving the SLAE, the measured-calculated values of P are obtained by expression (13).

Таким образом предполагается, что за счет увеличения степеней полиномов в модели тензорезисторов и использования нескольких отдельных различных по чувствительности, не обязательно точных при изготовлении по номиналам коэффициентов чувствительности и начальному сопротивлению, но известных точно из градуировки, погрешности нелинейности и влияния температуры существенно уменьшаются, а конструкция датчика упрощается.Thus, it is assumed that due to the increase in the degrees of polynomials in the model of strain gauges and the use of several separate sensitivity coefficients of different sensitivity, not necessarily accurate in the manufacture of the nominal values of the sensitivity coefficients and initial resistance, but known exactly from the calibration, the errors of nonlinearity and the effect of temperature are significantly reduced, and the design sensor is simplified.

Может быть полезна экспертная оценка потенциальной индивидуальной точности измерителей гидростатического давления, построенных по предлагаемому способу и приведенная в таблице.An expert assessment of the potential individual accuracy of hydrostatic pressure meters built according to the proposed method and shown in the table may be useful.

Figure 00000042
Figure 00000042

Figure 00000043
Figure 00000043

Рассмотрим устройства для осуществления предложенного способа.Consider devices for implementing the proposed method.

В общем случае возможно использование стандартных устройств, измеряющих сопротивления тензорезисторов. Однако из выражения (10) следует, что информативным параметром является отношение Rl/Ri0 которое и желательно получить в результате измерения.In the general case, it is possible to use standard devices that measure the resistance of strain gauges. However, from expression (10) it follows that the informative parameter is the ratio R l /R i0 which is desirable to obtain as a result of the measurement.

Структурная схема предлагаемого устройства для опроса тензорезисторов постоянным током представлена на фиг.1. На фиг.2 представлена структурная схема варианта устройства для опроса датчиков на знакопеременном токе.Structural diagram of the proposed device for interrogating strain gauges with direct current is shown in Fig.1. Figure 2 shows a block diagram of a variant of the device for polling sensors on alternating current.

В состав устройства входит блок 1 тензорезисторов

Figure 00000044
. размещенных на воспринимающей давление мембране и, подключенных к выходу напряжения блока 2, блок 3 токовых ключей
Figure 00000045
, служащий для подачи на тензорезисторы постоянного тока от выхода блока 4 генератора тока, выполненного на транзисторе 5 с токозадающим образцовым резистором 6 номиналом R0 в эмиттере и дифференциальном усилителе 7. первый вход которого соединен с подключенным к выходу источника напряжения цепочечным делителем напряжения па резисторах 8 и 9, номиналом r1 и r2, второй вход усилителя соединен с эмиттером транзистора, а выход подан на базу транзистора 5. Для съема напряжения с тензорезисторов служит блок 10 потенциальных ключей
Figure 00000046
. выход которого подан на блок 11 формирования выходного сигнала на первый вход дифференциального усилителя 12, в котором второй вход соединен с выходом источника напряжения 2, а выход подан на вход аналого-цифрового преобразователя 13. Блок 14 служит для управления работой токовых и потенциальных ключей.The device includes a block of 1 strain gauges
Figure 00000044
. placed on the pressure-receiving membrane and connected to the voltage output of block 2, block 3 current switches
Figure 00000045
, which serves to supply direct current to the strain gauges from the output of the block 4 of the current generator, made on a transistor 5 with a current-setting exemplary resistor 6 with a rating of R 0 in the emitter and a differential amplifier 7. The first input of which is connected to the voltage source connected to the output of a voltage divider circuit on resistors 8 and 9, denominated r 1 and r 2 , the second input of the amplifier is connected to the emitter of the transistor, and the output is fed to the base of the transistor 5. To remove voltage from the strain gauges, a block of 10 potential keys is used
Figure 00000046
. the output of which is fed to the block 11 for generating the output signal to the first input of the differential amplifier 12, in which the second input is connected to the output of the voltage source 2, and the output is fed to the input of the analog-to-digital converter 13. Block 14 is used to control the operation of the current and potential switches.

Требования к электронным компонентам устройства являются общепринятыми. Переходные сопротивления ключей практически не влияют на работоспособность устройства из-за того, что токовые ключи находятся в цепях заданного тока, а потенциальные ключи служат для передачи напряжения на высокоомный вход дифференциального усилителя.The requirements for the electronic components of the device are generally accepted. The transient resistances of the switches practically do not affect the performance of the device due to the fact that the current switches are in the circuits of a given current, and the potential switches serve to transfer voltage to the high-resistance input of the differential amplifier.

На первый вход дифференциального усилителя 7 поступает напряжение, равноеThe first input of the differential amplifier 7 receives a voltage equal to

Figure 00000047
Figure 00000047

где Е - выходное напряжение источника 2.where E is the output voltage of source 2.

Генератор тока формирует ток, равныйThe current generator generates a current equal to

Figure 00000048
Figure 00000048

При опросе i-го тензорезистора на последнем формируется напряжениеWhen polling the i-th strain gauge, a voltage is formed on the latter

Figure 00000049
Figure 00000049

Устройство работает следующим образом. Переключением пары токового 1, и потенциального 10, ключей на i-й тензорезистор подается ток I с генератора тока 4 и снимается напряжение

Figure 00000050
, которое через дифференциальный усилитель 12 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 13 и в цифровой форме
Figure 00000051
поступает на выход. Поскольку нас интересует напряжение
Figure 00000052
которое было бы на датчике
Figure 00000053
при токозадающем резисторе 6 номиналом
Figure 00000054
, а не
Figure 00000055
, то, выполняем коррекцию, учитывая, что замене R0 на Ri0 ток генератора и напряжение
Figure 00000056
на датчике изменятся обратно пропорционально отношению
Figure 00000057
получимThe device works as follows. By switching a pair of current 1 and potential 10 keys, current I is supplied to the i-th strain gauge from current generator 4 and voltage is removed
Figure 00000050
, which is fed through the differential amplifier 12 to the input of the analog-to-digital converter 13 and in digital form
Figure 00000051
goes to the exit. Since we are interested in voltage
Figure 00000052
which would be on the sensor
Figure 00000053
with a current-setting resistor of 6 rating
Figure 00000054
, but not
Figure 00000055
, then, we perform a correction, given that replacing R 0 with R i0 , the generator current and voltage
Figure 00000056
on the sensor will change inversely with the ratio
Figure 00000057
we get

Figure 00000058
Figure 00000058

Если в цепях тензорезисторов имеется термоэдс. то для ее исключения опрос проводят на знакопеременном токе.If there is a thermoelectric power in the circuits of strain gauges. then to exclude it, the survey is carried out on an alternating current.

Структурная схема устройства измерения давления жидкости или газа с опросом тензорезисторов на знакопеременном токе представлено на фиг.2. Оно отличается от предложенного выше устройства тем, что в цепь постоянного тока на выходе генератора тока дополнительно вставлен мостиковый модулятор 15 сигнала опроса тензорезисторов, выход разнополярного сигнала с выходной диагонали которого подан на вход блока 1 тензорезисторов, а выход блока 1 дополнительно подан на мостиковый демодулятор 16, выходная диагональ которого подана на блок 11 формирования выходного информативного сигнала.A block diagram of a device for measuring the pressure of a liquid or gas with a poll of strain gauges on an alternating current is shown in Fig.2. It differs from the device proposed above in that a bridge modulator 15 of the strain gauge polling signal is additionally inserted into the DC circuit at the output of the current generator. , the output diagonal of which is fed to the block 11 of the formation of the output informative signal.

Блоки 15, и 16, предназначены для управления ключами модулятора 15 и демодулятора 16 соответственно. Работают модулятор и демодулятор традиционно. Для исключения возможной термоэдс необходимо сложить амплитуды четного числа (минимум двух) последовательных периодов модуляции сигнала. Это выполняется в цифровом виде при последующей обработке информативного сигнала

Figure 00000059
Blocks 15 and 16 are designed to control the keys of the modulator 15 and demodulator 16, respectively. The modulator and demodulator work traditionally. To exclude possible thermoelectric power, it is necessary to add the amplitudes of an even number (at least two) of successive signal modulation periods. This is done digitally during subsequent processing of the informative signal.
Figure 00000059

Таким образом, предложенный способ измерения давления жидкости и устройства для его осуществления повышают точность за счет уменьшения погрешности нелинейности тензорезисторов и влияния температуры и упрощают реализацию за счет возможности неточного их изготовления.Thus, the proposed method for measuring liquid pressure and devices for its implementation increase accuracy by reducing the nonlinearity error of strain gauges and the effect of temperature and simplify implementation due to the possibility of their inaccurate manufacture.

Claims (13)

1. Способ измерения давления жидкости или газа приборами с мембранами и тензорезисторами, отличающийся тем, что на одной или нескольких мембранах размещают (m+1)(n+1)-1 отдельных тензорезисторов, имеющих существенные различия по чувствительности β к давлению P и по чувствительности α к температуре θ, математической моделью которых, с достаточной точностью аппроксимирующей зависимости сопротивления от давления и температуры, является произведение полиномов степени m для давления и степени n для температуры, формируют систему линейных алгебраических уравнений из функций преобразования тензорезисторов вида1. A method for measuring the pressure of a liquid or gas with devices with membranes and strain gauges, characterized in that (m + 1) (n + 1) -1 individual strain gauges are placed on one or more membranes, which have significant differences in sensitivity β to pressure P and in sensitivity α to temperature θ, whose mathematical model, with sufficient accuracy approximating the dependence of resistance on pressure and temperature, is the product of polynomials of degree m for pressure and degree n for temperature, form a system of linear algebraic equations from the transformation functions of strain gauges of the form
Figure 00000060
,
Figure 00000060
, измеряют относительные изменения сопротивлений
Figure 00000061
тензорезисторов и вычисляют измеряемое давление по формулеmeasure relative changes in resistance
Figure 00000061
strain gauges and calculate the measured pressure by the formula
Figure 00000062
Figure 00000062
 где Δ - определитель системы линейных алгебраических уравнений, коэффициенты i-й строки расширенной матрицы которой имеют видwhere Δ is the determinant of the system of linear algebraic equations, the coefficients of the i-th row of the extended matrix of which have the form
Figure 00000063
Figure 00000063
 где
Figure 00000064
- определитель системы при замене в матрице столбца
Figure 00000065
на столбец
Figure 00000066
Where
Figure 00000064
- system determinant when replacing in a column matrix
Figure 00000065
per column
Figure 00000066
 где
Figure 00000067
- сопротивление i-го тензорезистора при начальных давлении и температуре;Where
Figure 00000067
- resistance of the i-th strain gauge at initial pressure and temperature;
Figure 00000068
- относительное изменение сопротивления тензорезистора при конкретных давлении и температуре.
Figure 00000068
- relative change in the resistance of the strain gauge at a specific pressure and temperature. 2. Устройство для измерения давления по способу п. 1, содержащее к тензорезисторов, коммутаторы, генератор постоянного тока, дифференциальные усилители, аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что генератор постоянного тока содержит транзистор с токозадающим резистором, включенным в эмиттерной цепи и первый дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом делителя постоянного напряжения, второй вход соединен с эмиттером транзистора, а выход подан на базу транзистора, коллектор транзистора через k токовых ключей и тензорезисторы подан на вход источника напряжения постоянного тока, выходы напряжения с тензорезисторов через к потенциальных ключей поданы на первый вход второго дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения постоянного тока, а выход подан на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом информативного сигнала2. A device for measuring pressure according to the method of claim 1, containing to strain gauges, switches, a DC generator, differential amplifiers, an analog-to-digital converter, characterized in that the DC generator contains a transistor with a current-setting resistor included in the emitter circuit and the first differential amplifier, the first input of which is connected to the output of a DC voltage divider, the second input is connected to the emitter of the transistor, and the output is fed to the base of the transistor, the collector of the transistor through k current switches and strain gauges is fed to the input of a DC voltage source, the voltage outputs from the strain gauges through k potential switches are fed to the first input of the second differential amplifier, the second input of which is connected to the output of a DC voltage source, and the output is fed to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is the output of an informative signal
Figure 00000069
Figure 00000069
 где R1 - сопротивление тензорезистора, R0 - сопротивление токозадающего резистора,
Figure 00000070
Е - напряжение источника постоянного тока, r1 и r2 сопротивления резисторов делителя.where R 1 is the resistance of the strain gauge, R 0 is the resistance of the current-setting resistor,
Figure 00000070
E is the voltage of the DC source, r 1 and r 2 are the resistances of the divider resistors. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что для осуществления опроса тензорезисторов знакопеременным током оно дополнительно содержит модулятор и демодулятор тока из соединенных четырехплечим мостом ключей, причем модулятор включен первой диагональю в разрыв токовой ветви генератора и второй диагональю через токовые ключи подан на тензорезисторы и демодулятор тока включен первой диагональю на выход источника напряжения и выход потенциальных ключей, а второй диагональю на вход второго дифференциального усилителя.3. The device according to claim 2, characterized in that, for interrogating the strain gauges with an alternating current, it additionally contains a current modulator and a current demodulator from the keys connected by a four-arm bridge, the modulator being connected by the first diagonal to the gap in the current branch of the generator and the second diagonal through the current keys is fed to the strain gauges and the current demodulator is connected by the first diagonal to the output of the voltage source and the output of potential keys, and by the second diagonal to the input of the second differential amplifier.
RU2022115186A 2022-06-03 Method for measuring liquid or gas pressure and device for its implementation RU2789106C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2789106C1 true RU2789106C1 (en) 2023-01-30

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2364847C2 (en) * 2007-07-23 2009-08-20 Новосибирский государственный технический университет Method for measurement of liquid or gas pressure
US20100031752A1 (en) * 2006-02-24 2010-02-11 Gilles Delapierre Pressure sensor with resistance strain gages
RU2585486C1 (en) * 2015-04-07 2016-05-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) Method of measuring pressure and calibration based on tensobridge integrated pressure transducer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100031752A1 (en) * 2006-02-24 2010-02-11 Gilles Delapierre Pressure sensor with resistance strain gages
RU2364847C2 (en) * 2007-07-23 2009-08-20 Новосибирский государственный технический университет Method for measurement of liquid or gas pressure
RU2585486C1 (en) * 2015-04-07 2016-05-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) Method of measuring pressure and calibration based on tensobridge integrated pressure transducer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Гайский В.А. Метод и устройства с тензорезисторными датчиками для измерения гидростатического давления. // Системы контроля окружающей среды. 2022. Вып. 2 (48), c. 36-45. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4437164A (en) Ridge circuit compensation for environmental effects
CN102099662B (en) Arrangement for linearizing non-linear sensor
CN108592962B (en) Fiber Bragg grating sensing system with wavelength scale calibration function
CN108956009B (en) Piezoelectric pressure sensor calibration method and device
CN1185831A (en) Method of calibrating a radiation thermometer
CN109540340A (en) The calibration method of fluid temperature, pressure monitoring sensor in a kind of pipeline
US3943434A (en) Arrangement for measuring temperatures
KR20140012865A (en) Apparatus for measuring temperature using thermistor
CN114235217A (en) Method for calibrating CMOS temperature sensor chip based on BJT
CN107132417A (en) A kind of precision resister measuring method of reactive circuit parameter drift
Prakosa et al. Development of simple method for quality testing of pt100 sensors due to temperature coefficient of resistance measurement
RU2789106C1 (en) Method for measuring liquid or gas pressure and device for its implementation
CN103411699A (en) High-precision temperature measuring device
US20060232456A1 (en) Analog-to-digital conversion apparatus and sensing apparatus having the same
CN211717657U (en) Calibration-free thermocouple cold end temperature measurement circuit
Beug et al. A new calibration transformer and measurement setup for bridge standard calibrations up to 5 kHz
CN206670832U (en) A kind of device for lifting temperature survey precision
CN112649105A (en) PT100 temperature calibration and measurement method
Filatov et al. Prospects of Using a Modified Null Method for Temperature Measurement with Resistance Sensors
Sârbu et al. Calibration of Temperature Indicators
RU1789914C (en) Method of graduation of heat conduction meter
RU2585486C1 (en) Method of measuring pressure and calibration based on tensobridge integrated pressure transducer
RU2418275C1 (en) Method of measuring pressure
BRPI0902748B1 (en) multiple resistive electronic transduction instrument with thermal drift compensation and low frequency noise
Sârbu Evaluation of the measurement uncertainty in thermoresistances calibration