многодиапазонный преобразователь давления

Формула изобретения

Многодиапазонный преобразователь давления, содержащий сообщенную с источником опорного давления мембрану с тензорезистивным датчиком (тензодатчик), на которую с одной стороны подается опорное (например, атмосферное) давление, АЦП, источник опорного напряжения, первый выход которого соединен с первым входом тензодатчика, микроконтроллер, к входам которого подключены выходы АЦП, отличающийся тем, что в него введены N дополнительных мембран с тензодатчиками и коммутатор аналоговых сигналов, дополнительные мембраны установлены друг за другом перед основной мембраной и рассчитаны на последовательно уменьшающийся ряд давлений, крайняя из дополнительных мембран, рассчитанная на минимальный диапазон давлений, герметично отделяет измеряемое давление от опорного, поступающего на все остальные мембраны, выход источника опорного напряжения подключен к первому информационному входу коммутатора, первые N+1 информационные выходы которого соединены с вторыми входами тензодатчиков, первые входы тензодатчиков соединены между собой, первый и второй аналоговые входы АЦП соединены с вторым и третьим информационными входами коммутатора, вторые и третьи N+1 информационные выходы которого соединены с первыми и вторыми выходами тензодатчиков, выходы микроконтроллера подключены к управляющим входам коммутатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред.

Известен преобразователь давления в электрический сигнал (патент РФ №2082129 по кл. G 01 L 9/04, з. 27.06.95, oп. 20.06.97), содержащий тензорезистивный мост, резистивный делитель, аналоговый коммутатор, АЦП (выполненный на дифференциальном усилителе, сумматоре и блоке ослабления напряжения), процессор и формирователь выходного электрического сигнала.

Недостатками данного преобразователя являются: сложность формирования схемы АЦП, низкая чувствительность и точность при малой (относительно рабочего диапазона) величине измеряемого давления.

Известен также двухмембранный тензопреобразователь давления (патент РФ №2101688 по кл. 6 G 01 L 9/04, з. 26.09.91, oп. 10.01.98), в котором благодаря ограничению хода дополнительной усилительной мембраны, преобразующей давление в силу, ограничивается деформация основной мембраны за счет выполнения упоров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому преобразователю является преобразователь давления, схема которого приведена в описаниях применения “сигма-дельта” АЦП фирмы ANALOG DEVICE (например, в книге “Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1-М. ДОДЭКА, 1996 г., - на с.278-280). На измерительной мембране установлен мостовой тензорезистивный датчик, на входы которого подается опорное (возбуждающее) напряжение, а выходы соединены с входами АЦП, выходы которого подключены к микроконтроллеру.

Недостатком данного преобразователя является его низкая чувствительность и точность при малой (относительно рабочего диапазона) величине измеряемого давления, которые ограничены техническими возможностями мембраны, тензодатчика и амплитудой опорного напряжения (током потребления преобразователя).

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности преобразователя давления без увеличения потребляемого тока в широком диапазоне измеряемых давлений.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь давления, содержащий сообщенную с источником опорного давления мембрану с тензорезиcтивным датчиком (тензодатчик), на которую с одной стороны подается опорное (например, атмосферное) давление, АЦП, источник опорного напряжения, первый выход которого соединен с первым входом тензодатчика, микроконтроллер, к входам которого подключены выходы АЦП, согласно изобретению введены N дополнительных мембран с тензодатчиками и коммутатор аналоговых сигналов, дополнительные мембраны установлены друг за другом перед основной мембраной и рассчитаны на последовательно уменьшающийся ряд давлений, крайняя из дополнительных мембран, рассчитанная на минимальный диапазон давлений, герметично отделяет измеряемое давление от опорного, поступающего на все остальные мембраны, выход источника опорного напряжения подключен к первому информационному входу коммутатора, первые N+1 информационные выходы которого соединены с вторыми входами тензодатчиков, первые входы тензодатчиков соединены между собой, первый и второй аналоговые входы АЦП соединены с вторым и третьим информационными входами коммутатора, вторые и третьи N+1 информационные выходы которого соединены с первыми и вторыми выходами тензодатчиков, выходы микроконтроллера подключены к управляющим входам коммутатора.

Введение в преобразователь дополнительных мембран с тензодатчиками, рассчитанными на разные максимальные давления, позволяет преобразователю за счет повышения чувствительности и точности работать в широком диапазоне измеряемых давлений, заменяя несколько преобразователей давления, рассчитанных на разные давления. Введение в преобразователь коммутатора позволяет не увеличивать общий ток потребления преобразователя несмотря на увеличенное количество тензодатчиков.

Заявляемое изобретение обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как наличие дополнительных мембран с тензодатчиками, установленных последовательно с основной мембраной и рассчитанных на последовательно уменьшающийся ряд давлений; коммутатора, через который запитываются тензодатчики и выходные напряжения тензодатчиков подаются на АЦП, и указанных выше связей.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими получение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Заявляемый преобразователь давления может найти широкое применение в измерительной технике и поэтому соответствует критерию “промышленная применимость”. Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:

- фиг.1 - функциональная схема преобразователя;

- фиг.2 - схема установки мембран;

- фиг.3, 4 - работа мембран для преобразователя с N=1;

- фиг.5 - временная диаграмма напряжения на входе АЦП в зависимости от изменения измеряемого давления.

На каждой из упругих мембран 1 (основной 1₁ и дополнительных 1₂-1_N) установлен мостовой тензорезистивный датчик 2 (2₁-2_N), причем каждая мембрана с тензодатчиком рассчитана на разные давления (1_N2_N-на минимальное). Опорное давление Роп (например, атмосферное) подается на обе стороны мембран 1₁-1_N-1 и одну сторону мембраны 1_N, на другую сторону которой подается измеряемое давление Ризм.

Второй выход источника опорного напряжения 4 подключен к первому информационному входу коммутатора 3, первые N+1 выходы которого соединены с вторыми входами тензодатчиков 2, первые входы которых соединены с первым выходом источника 4. Выходы тензодатчиков 2 соединены с второй и третьей группой N+1 выходов коммутатора 3, второй и третий входы которого соединены с входами АЦП 5. Выходы АЦП 5 соединены с микроконтроллером 6, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора 3.

Преобразователь при N=1 работает следующим образом.

Когда измеряемое давление мало отличается от опорного давления, работает только дополнительная мембрана с тензодатчиком (фиг.3). Микроконтроллер 6 с помощью коммутатора 3 подает напряжение на тензодатчик 2 дополнительной мембраны. Полученное напряжение разбаланса тензомоста 2 преобразуется с помощью АЦП 5 в код, который поступает в микроконтроллер 6. Микроконтроллер 6 подставляет полученный код в степенной полином, описывающий работу данной мембраны и тензодатчика, и вычисляет код давления. Коэффициенты полиномов, описывающие работу данных мембран с тензодатчиками, получают путем “характеризации” каждого преобразователя: на преобразователь подается ряд эталонных давлений, считываются в компьютер показания АЦП и по ним высчитываются на компьютере требуемые коэффициенты.

При дальнейшем увеличении измеряемого давления дополнительная мембрана ложится на основную мембрану, которая и начинает работать (фиг.4). Микроконтроллер 6, получив данные от тензодатчика дополнительной мембраны о превышении порога линейности, переключает опорное напряжение на тензодатчик основной мембраны. Полученное напряжение разбаланса тензомоста преобразуется с помощью АЦП 5 в код, который поступает в микроконтроллер 6. Микроконтроллер 6 подставляет полученный код в степенной полином, описывающий работу данной мембраны и тензодатчика, и вычисляет код давления.

Временная диаграмма напряжения на входе АЦП от изменения измеряемого давления приведена на фиг.5. Для того, чтобы при измерении давления, примерно равного максимальному рабочему давлению дополнительной мембраны, не происходило постоянное переключение с одной характеристики преобразователя на другую, используется “гистерезис”.

По сравнению с прототипом заявляемый многодиапазонный преобразователь давления является более точным и чувствительным и может работать в широком диапазоне измеряемых давлений.