Устройство для измерения давления и температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 246 9) 1 1 11/ ТЕНТНО ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) ОПИСАНИ 30 ЕТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМУ С(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дляизмерения давления на обьектах в условияхизменяющейся температуры. Цель: повышение точности измерений, Сущность изобретения: устройство содержит рабочийстабилитрон; компенсирующий стабилитрон, коммутатор с ключевыми элементами,Изобретение относится к измерительной технике, в. частности к устройствам для измерения давления на объектах, подвергнутых воздействию изменяющейся температуры.Цель изобретения - повышение точности измерений.На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения давления итемпературы.Устройство содержит рабочий стабилитрон 1 с выводами 2, 3, выполняющий функцию чувствительного элемента в процессе измерения давления и температуры, компенсирующий стабилитрон 4, коммутатор 5, с ключевыми элементами 6 - 11, источйик напряжения 12, первую мостовую измерительную схему 13 с резисторами 14-19, вторую мостовую измерительную схему 20 с резисторами 21-24,. блок управления 25 с перисточник напряжения, первую и вторую мостовые измерительные схемы с резисторами, блок управления, блок измерения давления с нормирующими усилителями, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора с ключевыми элементами, вычислительным устройством, АЦП, индикатором, блок измерения температуры с нормирующими усилителями, запоминающим устройством в виде конденсатора и коммутатора. Блок управления выполнен в виде таймера. Процесс измерения давления и температуры разделен во времени на два цикла, причем производится взаимокоррекция информационных сигналов давления и температуры. В перерыве между измерениями осуществляется тестирование измерительных каналов. 1. з. и. ф-лы, 1 ил. Фе3 еВ вым 26, вторым 27, третьим 28, четвертым 29 и пятым 30 выходами, блок измерения дав. ления 31, состоящий из первого 32 и второго 33 нормирующих усилителей постоянного ф тока, запоминающего устройства (ЗУ) 34, ф выполненного, например, в виде конденса-ЬЭ тора 35 и коммутатора 36 с ключевыми эле Ъь. ментами 37-39, вычислительного ( устройства (ВУ) 40, аналого-цифрового пре- Я образователя (АЦП) 41 и цифрового индикатора 42, блок измерения температуры 43, состоящий из первого 44 и второго 45 нормирующих усилителей постоянного тока, ЗУ 46, выполненного, например, в виде конденсатора 47 и коммутатора 48 с ключевыми элементами 49-51 ВУ 52, АЦП 53 и цифрового индикатора 54Вывод 2 рабочего стабилитрона 1 подключен к коммутационным входам ключевых элементов 7, 8 .коммутатора 5.мощью тестовых сигналов, которые формируются соответственно первой 13 и второй 20 мостовыми измерительными схемами,При измерении давления АЦП 41 приводится в исходное состояние с помощью импульса, подаваемого на его установочный вход с первого выхода 26 блока управления 25, и снимается остаточное напряжение (с предыдущего цикла) с конденсатора 35 ЗУ 34. Это достигается замыканием конденсатора 35 на точку с нулевым потенциалом с помощью ключевого элемента 37 коммутатора 36 ЗУ 34, управляемого импульсом со второго выхода 27 блока управления 25. После этого блок управления 20 (выход 27) устанавливает ключевой элемент 38 в положение "Разомкнуто", ключевой элемент 39 - в положение "Замкнуто", ключевые элементы 49, 51 коммутатора 48 ЗУ 46 (выход 29) находятся в положении "Разомкнуто", ключевой элемент 50 - в положении "Замкнуто", ключевые элементы 8, 9 коммутатора 5 (выход 30) - в положении "Разомкнуто", а ключевые элементы 6, 7, 10, 11 - в положении "Замкнуто". Таким образом, к первой. мостовой измерительной схеме 13 подключается встречно рабочий 1 и компенсирующий 4 стабилитроны и на выходе этой схемы возникает информационный сигнал, несущий информацию об измеряемых давлении и температуре, При этом резисторы 14, 15 соответственно задают рабочий режим стабилитронов 1,5, резисторы 18, 19 вместе с балансирующими резисторами 16, 17 выступают в качестве сопротивлений нагрузки.этих стабилитронов, Напряжения стабилизации стабилитронов 1, 4 выбираются равными по размеру, причем температурный коэффициент напряжения компенсирующего стабилитрона 4 выбирается на несколько порядков меньше температурного коэффициента напряжения рабочего стабилитрона 1, Это делается в целях исключения дополнительной погрешности измерения давления при изменении. температуры окружающей среды, в которой работает образцовым средствам при отсутствии воздействия температуры в процессе изготовления, отладки и проверки устройства,Одновременно с измерением давления со второй мостовой измерительной схемы 20 формируется тестовый сигнал, т.к. ключевой элемент 11 коммутатора 5 замкнут и резистор 21 подключен к плечу мостовой 40 45 схемы 20. Этот сигнал усиливается первым нормирующим усилителем 44 блока измерения температуры 43 и поступает на один из входов 52, В данный момент времени на втором входе ВУ 52 отсутствует сигнал коррекции, т,е. на втором входе установлен нуэлектронно-преобразующая часть устройства,Так как практически напряжения стабилизации могут быть не равными, с помощью 50 балансирующих резисторов 16, 17 устанавливается нулевое значение сигнала первой мостовой измерительной схемы 13 при левой потенциал, Выходной сигнал усилителя 44 передается через ВУ 52, усиливается вторым нормирующим усилителем принятом нулевом значении давления (1, 0 13 Па). Размер измерительных токов, протекающих через стабилитроны 1, 4, выбирается таким, чтобы этот ток не вызывал разогрева 45 и поступает на вход АЦП 53, который по команде блока управления 25 (выход 28) предварительно устанавливается в исходное состояние. Усиленный тестовый сигнал преобразуется в цифровой код с помощью 55 кристалла стабилитронов (резисторы 14, 15). Выходной сигнал, снимаемый с первой мостовой измерительной схемы 13, усили- АЦП 53, и информация, характеризующая 5 10 15 20 25 30 35 вается первым нормирующим усилителем 32, который подается на один из входов ВУ 40. На другой вход подается корректирующее напряжение с конденсатора 47 ЗУ 46 блока измерения температуры 43 через замкнутый ключевой элемент 50). Это напряжение было сформировано в предыдущем цикле, как это будет показано ниже. С выхода ВУ 40 информационный сигнал запоминается на ЗУ 34 (конденсатор 35 заряжается через замкнутый ключевой элемент 39 до размера выходного сигнала ВУ 40) и поступаст на вход второго нормирующего усилителя 33, который нормирует входной сигнал в соответствии с принятой шкалой измерения давления и при необходимости выполняет функцию личеаризации номинальной статической характеристики канала измерения давления, Линеаризация может быть осуществлена путем включения в цепь обратной связи усилителя 33 диоднорезисторных элементов, измеряющих коэффициент усиления усилителя 33 в зависимости от входйого сигнала, Выходной сигнал второго нормирующего усилителя 33 преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 41, и информация о давлении отображается на цифровом индикаторе 42.Формирование необходимой зависимости корректирующего напряжения, которое запоминается на конденсаторе 35, осуществляется изменением коэффициента передачи первого нормирующего усилителя 32 и приведением его передаточной характеристики к заданному виду. Все это может определяться экспериментальным путем при грэдуировке канала измерения давления поисправность тракта измерения температуры (и его соответствие заданным метрологическим характеристикам по электронно-преобразующей части устройства), высвечивается на цифровом индикаторе,Аналогично производится цикл измерения.температуры. В данном случае по команде блока управления 25 АЦП 41 (выход 26) и АЦП 53 (выход 28) устанавливаются в 10 исходное состояние. Ключевые элементы: 6, 7, 10, 11 коммутатора 5, 37, 39 коммутатора 36 ЗУ 34, 50, 51 коммутатора 48 ЗУ 46 находятся в положении "Разомкнуто", ключевые элементы 8, 9 коммутатора 5, 38. коммутатора 36 ЗУ 34, 49 коммутатора 48 УЗ 46 находятся в положении "Замкнуто". При этом также кратковременным замыканием ключа 51 коммутатора 48 предварительно снимается остаточное напряжение коррекции конденсатора 47 (с предыдущего цикла измерения температуры). При этом рабочий стабилитрон 1 подключается в плечо второй 20 стабилитрона 1 обосновывается практической независимостью его термометрических характеристик от давления и только при высоких размерах давления возникает 30 необходимость коррекции канала измерения температуры (10 кгс/см ), Сигнал рассогласования с выхода второй мостовой измерительной схемы 20 усиливается и нормируется первым усилителем 44 и поступает 35 на один из входов ВУ 52, на другой вход которого поступает сигнал коррекции, снимаемый с конденсатора 35 через ключевой элемент 38 ЗУ 34 блока измерения давления 31. Скорректированный сигнал нормируется в соответствии с принятой шкалой температуры вторым нормирующим усилителем 45, преобразуется в цифровой код АЦП 53 и информация о температуре отображается на цифровом индикаторе 54. Одновременно по каналу измерения давления с выхода первой мостовой измерительной схемы 13 поступает тестовый сигнал, так как несмотря на то, что стабилитроны 1, 4 отключены от нее коммутатором 5, мостовая схема 13 (как и мостовая схема 20) постоянно подключена к источнику питания 12. При этом следует учесть, что плечи 14 - 19 первой мостовой схемы 13, так же как и плечи 21-24 второй мостовой схемы 20, выполнены из стабильных резисторов. Размер же напряжения тестового сигнала первой и второй мостовых измерительных схем 13, 20 выбирается расчетным или экспериментальным путем при проектировании конкретного устройства. Аналогичным образом тестовый 45 50 мостовой измерительной схемы 20 в прямом включении, т,е, работает как термоди-,од, В данном случае такое включение 25 сигнал для проверки канала измерения давления усиливается первым усилителем 32, передается через ВУ 40, усилитель 33, преобразуется АЦП 41 в цифровой код и отображается на цифровом индикаторе 42, т.е, работа блока измерения температуры 31 аналогична работе блока измерения давления 43. Длительность и последовательность импульсов, поступаемых с блока управления 25, также выбираются при проектировании конкретных устройств, исходя из эргономических требований съема оператором информации, динамики изменений температуры и давления на реальном объекте, времени сохранения информации на ЗУ 34, 46 (в данном случае на конденсаторах 35, 47) быстродействия АЦП 41, 53 и т.п. Далее циклы измерения давления и температуры и присущая им проверка каналов измерения этих величин повторяются.Величина коррекции дополнительных погрешностей этих взаимосвязанных величин позволит также повысить точность измерения давления и температуры и использовать в качестве датчика полупроводниковые элементы, для которых характерна высокая степень чувствительности к разнообразным неэлектрическим величинам, что, в свою очередь, препятствовало широкому их использованию для проведения однофункциональных и многофункциональных измерений, При этом материально затраты на изготовление датчиков уменьшаются. В качестве таких чувствительных элементов могут быть использованы не только стабилитроны, но и другие полупроводниковые элементы, например диоды, поли- и монокристаллы германия, кремния, арсенида галия и т.п, Все это расширяет функциональные воэможности устройстваВведение по каждому каналу измерения (в перерыве между измерениями) операции проверки их метрологических характеристик снизит случайные составляющие погрешностей измерения, повысит достоверность измерений.Малые габариты датчика позволят снимать информацию о двух величинах в объекте, размеры которого задаются размерами такого датчика, что представляет интерес как в решении чисто научно-исследовательских задач, так и при решении многих производственных задач. Единая технология производства устройства позволит создать миниатюрное средство измерения, которое может быть использовано на объектах, где к устанавливаемой аппаратуре предъявляются прежде всего требования обеспечения минимальных веса и габарита, а также повышенной надежности.. 1, Устройство для измерения давлениясоответствующими входами, коммутатора,и температуры, содержащее рабочий стаби- выходы которого подключены соответственлитрон, компенсирующий стабилитрон, но к источнику питания, к плечу второй мо-.первый вывод которого подключен к плечу 5 стовой измерительной схемы и второму первой мостовой измерительной схемы, выводукомпенсирующегостабилитрона.входкоторой соединен с йсточником напря. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е ежения, а выход подключен к информацион- с я тем, что в нем каждый из блоков измереному входу блока йзмерения, давления и ния давления и температуры содержит два блок измерения. температуры, о т л и Ч а ю нормирующих усилителя постоянного тока;, щеесятем,что,сцельаповыаенияточ- . запоминающее устройство, вычислитель-ности измерений; оно снабжено коммутато- нов устройство, аналого-цифровой преобраром, второй мостовой измерительнойзователь и цифровой индикатор; причем в схемойитаймером,.причемпервыйивторой: каждом из блоков измерения давления и выходы таймера подключенысеответствей температуры информационный вход соотнок первому и второму. управляющим вхо-ветствующего блока соединен с входом пердэм блока измерения давления, третий и . вого нормирующего усилителя, выход четвертый выходы таймера подключены со- которого подключен к первому входу вычисответственно к первому и второму управля-лительного устройства, выход которого че,кйцим.,входам блока . измерения 20 рез запоминающее устройство связан стемпвратуры;.пятыйвыходтаймераподклю-;: корректирующим выходом соответствуючеи К управляющему входу коммутатора, . щего блока, первый управляющий вход кокоррвктйрующийаюход.блока измерения торого соединен сустановоянйм входом температуры соединен с третьим управляю-: ", аналого-цифрового преобразователя, атощйм входом блока измерения давлейия, 26 рой управляющий вход - с уйравляющим корректирующий выход которого подклю- . входом запомийающего устройства, третий чен к третьему управляащему входу блока управляющий вход - : с вторым входом выизмервния температуры, ийФормационный: . числительного: усгройства, выход которого вход которогб соединен с выходом второйчерез второй.нормирующий усилитель в мостовой измерительной схемы; вход кото аналого-циФровой преобразователь связан рого подключен к:источнику напряжения: с цифровым индикатором.1812462 оставитель А.Алейниковхред М.Моргентал Корректо Редакто иль роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ И 71 ВНИИПИ Госу Тиражтвенного комитета по изо113035, Москва, Ж, Р Подписноетениям и открытиям при ГКНТ СССская наб., 4/5