RU2515079C2 - Method to measure pressure and intelligent pressure sensor on its basis - Google Patents
Method to measure pressure and intelligent pressure sensor on its basis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2515079C2 RU2515079C2 RU2012118123/28A RU2012118123A RU2515079C2 RU 2515079 C2 RU2515079 C2 RU 2515079C2 RU 2012118123/28 A RU2012118123/28 A RU 2012118123/28A RU 2012118123 A RU2012118123 A RU 2012118123A RU 2515079 C2 RU2515079 C2 RU 2515079C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diagonal
- pressure
- measurement
- supply
- voltages
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред.The present invention relates to measuring technique and can be used to measure the pressure of liquid and gaseous media.
Известны способы измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления и устройства для измерения давления [1, 2], в которых измеряемое давление вычисляют из напряжений питающей и измерительной диагоналей мостовой измерительной схемы, а тензорезисторный преобразователь выполняют в виде нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) [3, 4].Known methods for measuring pressure using a strain gauge pressure sensor and a device for measuring pressure [1, 2], in which the measured pressure is calculated from the voltages of the supply and measuring diagonals of the bridge measuring circuit, and the strain gauge converter is made in the form of a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) [ 3, 4].
Недостатком таких способов и устройств является невозможность обнаружения факта изменения сопротивлений тензорезисторов (в результате старения, выхода из строя и т.п.) и, соответственно, недостоверности результата измерения.The disadvantage of such methods and devices is the inability to detect the fact of a change in the resistance of the strain gauges (as a result of aging, failure, etc.) and, accordingly, the inaccuracy of the measurement result.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является выбранный в качестве прототипа способ измерения давления и тензорезисторный датчик давления на его основе [5]. Он заключается в том, что воздействие измеряемого давления преобразуется в изменение сопротивлений тензорезисторного преобразователя (тензорезисторной НиМЭМС), подключенного к источнику тока, измерении напряжений в измерительной и питающей диагоналях мостовой измерительной цепи и преобразовании измеренных значений напряжений в давление.Closest to the technical nature of the proposed solution is the selected as a prototype method of measuring pressure and a strain gauge pressure sensor based on it [5]. It consists in the fact that the influence of the measured pressure is converted into a change in the resistances of the strain gauge transducer (NIMEMS strain gauge) connected to a current source, voltage measurement in the measuring and supply diagonals of the bridge measuring circuit, and conversion of the measured voltage values to pressure.
Датчик давления, реализующий такой способ, содержит тензорезисторный преобразователь давления (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью из тензорезисторов, питающая диагональ которой подключена к источнику тока и к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), измерительная диагональ мостовой измерительной цепи тоже подключена к аналого-цифровому преобразователю. Имеется вычислительное устройство в виде микроконтроллера, соединенное с аналого-цифровым преобразователем, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) и цифровым интерфейсом, выход которого является выходом датчика. В процессе калибровки датчика осуществляется регистрация сигналов, соответствующих напряжениям в измерительной и питающей диагоналях моста при контрольных значениях давления и температуры.A pressure sensor implementing this method contains a strain gauge pressure transducer (NIMEMS) with a bridge measuring circuit of strain gauges, the supply diagonal of which is connected to a current source and to an analog-to-digital converter (ADC), the measuring diagonal of the bridge measuring circuit is also connected to an analog-to-digital converter . There is a computing device in the form of a microcontroller connected to an analog-to-digital converter, read-only memory (ROM) and a digital interface, the output of which is the output of the sensor. During the sensor calibration, signals corresponding to the voltages in the measuring and supply diagonals of the bridge are recorded at control pressure and temperature values.
Недостатком известного способа и датчика давления на его основе является отсутствие самоконтроля, обусловленное тем, что в процессе измерения регистрируются только значения напряжений измерительной и питающей диагоналей, являющихся соответственно мерой давления и мерой температуры, что вследствие отсутствия избыточности информации не позволяет провести проверку достоверности результата измерения. В процессе калибровки данного датчика в ПЗУ записывается только информация (полиномиальные коэффициенты аппроксимирующей зависимости), необходимая для вычисления давления исходя из значений напряжений измерительной и питающей диагоналей, что недостаточно для проведения самоконтроля.The disadvantage of this method and a pressure sensor based on it is the lack of self-control, due to the fact that during the measurement process only the voltage values of the measuring and supply diagonals are recorded, which are respectively a pressure measure and a temperature measure, which, due to the lack of redundancy of information, does not allow verification of the measurement result. During the calibration of this sensor, only information (polynomial coefficients of the approximating dependence) is recorded in the ROM, which is necessary for calculating the pressure based on the voltage values of the measuring and supply diagonals, which is not enough for self-monitoring.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали.The objective of the invention is to increase the reliability of the measurement result by introducing a self-monitoring of the sensor and checking the reliability of the pressure measurement by comparing the measured and calculated voltage values between one node of the supply diagonal and each of the nodes of the measuring diagonal.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали.The technical result of the invention is to increase the reliability of the measurement result by introducing self-monitoring of the sensor and checking the reliability of the pressure measurement by comparing the measured and calculated voltage values between one node of the supply diagonal and each of the nodes of the measuring diagonal.
Это достигается тем, что в способе измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы, содержащей мостовую измерительную цепь из тензорезисторов, заключающемся в том, что питающую диагональ мостовой измерительной цепи подключают к источнику постоянного тока и регистрируют напряжения между узлами мостовой измерительной цепи, подают давление, вначале в режиме калибровки, а затем в режиме измерения, причем в режиме калибровки осуществляют регистрацию напряжений между узлами мостовой измерительной цепи, а в режиме измерения осуществляют вычисление измеренного давления по текущим данным напряжений между узлами мостовой измерительной цепи и данным, зарегистрированным в режиме калибровки, в соответствии с предлагаемым изобретением, в режиме калибровки и измерения одновременно регистрируют данные напряжений между узлами питающей диагонали Upt, между одним узлом питающей диагонали и первым узлом измерительной диагонали Uiz1, а также между тем же узлом питающей диагонали и вторым узлом измерительной диагонали Uiz2, причем в режиме калибровки сохраняют данные для вычисления напряжений Uiz1, Uiz2, а в режиме измерения вычисляют измеренное значение давления Р исходя из напряжений питающей диагонали Upt и измерительной диагонали Uiz=Uiz1-Uiz2 и сохраненных на этапе калибровки данных, затем вычисляют напряжения между узлом питающей диагонали и первым узлом измерительной диагонали, а также между тем же узлом питающей диагонали и вторым узлом измерительной диагонали исходя из величины измеренного значения давления Р, напряжения питающей диагонали Upt и сохраненных на этапе калибровки данных, определяют разницу между вычисленными и измеренными значениями напряжений Uiz1, Uiz2, и если эта разница превышает значение критерия стабильности, то принимается решение о недостоверности результата измерения давления.This is achieved by the fact that in the method of measuring pressure using a strain gauge pressure sensor based on a nano- and microelectromechanical system containing a bridge measuring circuit of strain gauges, consisting in the fact that the supply diagonal of the bridge measuring circuit is connected to a constant current source and the voltage between the bridge nodes is recorded measuring circuit, apply pressure, first in the calibration mode, and then in the measurement mode, and in the calibration mode register the voltages between between the nodes of the bridge measuring circuit, and in the measurement mode, the measured pressure is calculated from the current voltage data between the nodes of the bridge measuring circuit and the data registered in the calibration mode, in accordance with the invention, in the calibration and measurement mode, simultaneously register voltage data between the nodes of the supply diagonal U pt, between a supply node and the first node diagonal measuring diagonal U iz1, as well as between the same supply node and the second node diagonal measurement iagonali U iz2, wherein in the calibration mode stores the data for calculating voltages U iz1, U iz2, and in the measurement mode calculating the measured pressure value P on the basis of the supply voltage U pt diagonally and the diagonal measurement U iz = U iz1 -U iz2 and stored at step data calibration, then calculate the voltage between the node of the supply diagonal and the first node of the measuring diagonal, as well as between the same node of the supply diagonal and the second node of the measuring diagonal based on the value of the measured pressure value P, voltage of the supply diagonal Whether U pt and stored at step calibration data, determine the difference between the calculated and measured values of the voltages U iz1, U iz2, and if this difference exceeds the stability criterion, a decision about the unreliability of the pressure measuring result.
В датчике давления на основе НиМЭМС, реализующем предлагаемый способ, содержащем мостовую измерительную цепь из тензорезисторов R1, R2, R3, R4, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), вычислительное устройство (ВУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), цифровой интерфейс (ЦИ), причем мостовая измерительная цепь подключена к АЦП, их выходы соединены со входами ВУ, которое соединено с ПЗУ и ЦИ, при этом вход первого АЦП подключен к диагонали питания мостовой измерительной цепи, в соответствии с предлагаемым изобретением, входы второго АЦП подключены к узлу питающей диагонали и первому узлу измерительной диагонали, а входы третьего АЦП - к тому же узлу питающей диагонали и второму узлу измерительной диагонали, при этом вычислительное устройство содержит блок преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, блок расчета численного значения давления, блок самоконтроля, причем блок преобразования кода АЦП в численное значение напряжения имеет первый, второй и третий входы, являющиеся входами вычислительного устройства, первый, второй и третий выходы блока преобразования кода АЦП в численное значение напряжения соединены с первым, вторым и третьим входами блока расчета численного значения давления, а четвертый вход является четвертым входом вычислительного устройства, выход блока расчета численного значения давления является первым входом блока самоконтроля, второй, третий и четвертый входы которого соединены с первым, вторым и третьим выходами блока преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, а пятый вход соединен с четвертым входом вычислительного устройства.In the pressure sensor based on NiMEMS that implements the proposed method, comprising a bridge measuring circuit of strain gauges R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , analog-to-digital converters (ADC), computing device (WU), read-only memory (ROM), a digital interface (DI), with the bridge measuring circuit connected to the ADC, their outputs connected to the inputs of the slave, which is connected to the ROM and the DI, while the input of the first ADC is connected to the diagonal of the power supply of the bridge measuring circuit, in accordance with the invention, the inputs of the second ADC connected to the supply diagonal unit and the first measuring diagonal unit, and the inputs of the third ADC to the same supply diagonal unit and the second measuring diagonal unit, while the computing device contains a unit for converting the ADC code to a voltage numerical value, a unit for calculating the numerical pressure value, and a self-monitoring unit moreover, the block for converting the ADC code into a numerical voltage value has first, second and third inputs, which are inputs of a computing device, the first, second and third outputs of the block the ADC code in the numerical value of the voltage is connected to the first, second and third inputs of the unit for calculating the numerical value of pressure, and the fourth input is the fourth input of the computing device, the output of the unit for calculating the numerical value of pressure is the first input of the self-monitoring unit, the second, third and fourth inputs of which are connected with the first, second and third outputs of the unit for converting the ADC code to a numerical value of voltage, and the fifth input is connected to the fourth input of the computing device.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого датчика давления на основе НиМЭМС, реализующего предлагаемый способ измерения. На фиг.2 приведена структурная схема вычислительного устройства.Figure 1 shows a structural diagram of the proposed pressure sensor based on NiMEMS that implements the proposed measurement method. Figure 2 shows the structural diagram of a computing device.
Датчик давления на основе НиМЭМС, реализующий предлагаемый способ измерения, содержит источник тока 1, мостовую измерительную цепь 2 из тензорезисторов R1, R2, R3, R4 НиМЭМС, первый 3, второй 4 и третий 5 аналого-цифровые преобразователи, вычислительное устройство 6, цифровой интерфейс 7, постоянное запоминающее устройство 8 (фиг.1). Вычислительное устройство 6 включает в себя блок 9 преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, блок 10 расчета численного значения давления, блок самоконтроля 11 (фиг.2).The pressure sensor based on NiMEMS, which implements the proposed measurement method, contains a
Датчик давления работает следующим образом. Мостовая измерительная цепь 2 из тензорезисторов R1, R2, R3, R4 НиМЭМС питается от источника постоянного тока 1 (фиг.1). В результате воздействия давления возникают деформации тензорезисторов, включенных в мостовую измерительную цепь 2. Изменение сопротивлений тензорезисторов R1, R2, R3, R4 приводит к изменению напряжений Uiz1, Uiz2 на тензорезисторах R2, R4 (потенциалов узлов измерительной диагонали). Напряжение Upt питающей диагонали моста 2 зависит от температуры тензорезисторного преобразователя. Напряжения Upt, Uiz1, Uiz2 поступают на вход первого 3, второго 4 и третьего 5 аналого-цифровых преобразователей. Выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с первым, вторым и третьим входами вычислительного устройства 6, являющимися также первым, вторым и третьим входами блока 9 преобразования кода АЦП в численное значение напряжения. Вычисленные данным блоком значения напряжений Upt, Uiz1, Uiz2 подаются в блок 10 расчета численного значения давления, который вычисляет численное значение Р измеренного давления по данным, хранящимся в постоянном запоминающем устройстве 8 исходя из напряжений питающей Upt и измерительной Uiz=Uiz1-Uiz2 диагоналей. В качестве таких данных могут служить коэффициенты полиномиального выражения, сохраненные в ПЗУ 8 на этапе калибровки, либо данные для вычисления сплайн-интерполяции. Вычисленное численное значение давления подается на первый вход блока самоконтроля 11. На второй, третий и четвертый входы блока 11 подаются значения измеренных напряжений Upt, Uiz1, Uiz2, а пятый вход является четвертым входом вычислительного устройства, соединенным с ПЗУ 8. Блок самоконтроля 11 вычисляет напряжения Uiz1, Uiz2 по данным измеренного напряжения Upt и вычисленного давления Р с помощью данных, хранящихся в постоянном запоминающем устройстве 8, которыми могут служить коэффициенты полиномиального выражения либо данные для вычисления сплайн-интерполяции. Блок самоконтроля производит сравнение вычисленных напряжений с измеренными Uiz1, Uiz2. В случае если их разница не превышает допустимого значения тестового критерия стабильности, на выходе блока самоконтроля 11 будет значение давления, вычисленное блоком 10 расчета численного значения давления, в противном случае на выход блока самоконтроля 11, кроме значения давления, поступит сигнал, сообщающий о недостоверности значения измеренного давления. С выхода блока самоконтроля 11 сигнал поступает на вход цифрового интерфейса 7, формирующего выходной сигнал датчика (о давлении и его достоверности).The pressure sensor operates as follows. The bridge measuring
Калибровка осуществляется путем регистрации напряжения Upt питающей диагонали мостовой схемы, напряжений Uiz1, Uiz2 на тензорезисторах R2, R4 при установленных контрольных значениях эталонных давления и температуры, вычислении данных (например, полиномиальных коэффициентов аппроксимирующей зависимости) для нахождения значения давления Р из значений напряжения питающей Upt и измерительной Uiz=Uiz1-Viz2 диагоналей, а также данных для вычисления напряжений Uiz1, Uiz2 из напряжения Upt питающей диагонали и давления Р, и записи этих данных в постоянное запоминающее устройство.Calibration is carried out by registering the voltage U pt of the supply diagonal of the bridge circuit, the voltages U iz1 , U iz2 on the strain gauges R 2 , R 4 at the set reference values of the reference pressure and temperature, calculating data (for example, polynomial approximation coefficient coefficients) to find the pressure value P from values of the supply voltage U pt and measuring U iz = U iz1 -V iz2 diagonals, as well as data for calculating the voltages U iz1 , U iz2 from the voltage U pt of the supply diagonal and pressure P, and recording these data in a constant th storage device.
Таким образом, при использовании предложенного способа измерения давления и интеллектуального датчика давления на основе НиМЭМС повышается надежность результата измерения за счет введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления.Thus, when using the proposed method for measuring pressure and an intelligent pressure sensor based on NiMEMS, the reliability of the measurement result is increased by introducing self-monitoring of the sensor and verifying the reliability of the pressure measurement.
Источники информацииInformation sources
1. А.с. СССР №1597623, МПИ G01L 9/04, Бюл. №37 от 07.10.90. Устройство для измерения давления / В.А.Васильев, А.И.Тихонов.1. A.S. USSR No. 1597623, MPI G01L 9/04, Bull. No. 37 dated 10/07/90. Device for measuring pressure / V.A. Vasiliev, A.I. Tikhonov.
2. Патент РФ №2304762, МПК G01L 9/04, Бюл. №23 от 20.08.2007. Способ и устройство измерения давления / В.И.Садовников, А.Н.Кононов, А.Я.Аникин, В.А.Ларионов, А.Л.Шестаков.2. RF patent No. 2304762, IPC
3. Патент РФ №2398195, G01L 9/04, Бюл. №24 от 27.08.2010. Способ изготовления нано- и микроэлектромеханической системы датчика давления и датчик давления на его основе / П.С.Чернов, В.А.Васильев, Е.М.Белозубов.3. RF patent No. 2398195,
4. Патент РФ 2411474 G01L 9/04, Бюл. №4 от 10.02.2011. Датчик давления повышенной точности на основе нано- и микроэлектромеханической системы с тонкопленочными тензорезисторами / П.С.Чернов, В.А.Васильев, Е.М.Белозубов.4. RF patent 2411474
5. Патент РФ №2300745, МПК G01L 9/04, Бюл. №16 от 10.06.2007. Устройство для измерения давления / Ю.Г.Свинолупов, В.В.Бычков.5. RF patent No. 2300745,
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012118123/28A RU2515079C2 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Method to measure pressure and intelligent pressure sensor on its basis |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012118123/28A RU2515079C2 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Method to measure pressure and intelligent pressure sensor on its basis |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012118123A RU2012118123A (en) | 2013-11-10 |
RU2515079C2 true RU2515079C2 (en) | 2014-05-10 |
Family
ID=49516650
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012118123/28A RU2515079C2 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Method to measure pressure and intelligent pressure sensor on its basis |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2515079C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626034C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-07-21 | Евгений Тимофеевич Дюндиков | Method of measuring different physical values |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118129970A (en) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 国家海洋技术中心 | Atmospheric pressure measurement system |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2300745C2 (en) * | 2005-04-25 | 2007-06-10 | Открытое акционерное общество "Манотомь" | Pressure measuring arrangement |
US7249518B2 (en) * | 2002-06-21 | 2007-07-31 | California Institute Of Technology | Sensors based on giant planar hall effect in dilute magnetic semiconductors |
RU2398195C1 (en) * | 2009-08-26 | 2010-08-27 | Евгений Михайлович Белозубов | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system |
-
2012
- 2012-05-03 RU RU2012118123/28A patent/RU2515079C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7249518B2 (en) * | 2002-06-21 | 2007-07-31 | California Institute Of Technology | Sensors based on giant planar hall effect in dilute magnetic semiconductors |
RU2300745C2 (en) * | 2005-04-25 | 2007-06-10 | Открытое акционерное общество "Манотомь" | Pressure measuring arrangement |
RU2398195C1 (en) * | 2009-08-26 | 2010-08-27 | Евгений Михайлович Белозубов | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626034C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-07-21 | Евгений Тимофеевич Дюндиков | Method of measuring different physical values |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012118123A (en) | 2013-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
ES2764649T3 (en) | Measurement bridge arrangement with improved error detection | |
US20140358317A1 (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 | |
AU2012391003B2 (en) | System and method for three dimensional calibration of force plates | |
CN105388356A (en) | Current measurement device | |
CN104969473A (en) | Sensor signal processing apparatus and sensor apparatus | |
RU2304762C1 (en) | Method and device for measuring pressure | |
CN105446314B (en) | Sensor system using safety mechanism | |
RU2515079C2 (en) | Method to measure pressure and intelligent pressure sensor on its basis | |
RU2424533C2 (en) | Measuring transducer for high-speed strain-measuring system | |
TWI477754B (en) | Pressure detecting circuit | |
WO2014131318A1 (en) | Intelligent analogue weighing sensor and self-diagnosing method thereof | |
EP2579052A1 (en) | Method for measuring resistance value of conversion resistance of current mode analog /digital converter | |
US11340272B2 (en) | Apparatus and method for determining a power value of a target | |
RU2408857C1 (en) | Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
RU2300745C2 (en) | Pressure measuring arrangement | |
TW201241463A (en) | Calibration method and device | |
US11287455B2 (en) | Sensor interface circuit | |
CN113155159B (en) | Bridge detector | |
RU2400711C1 (en) | Strain-measuring transducer | |
JP2006184192A (en) | Electronic balance | |
RU2324899C2 (en) | Method for nonelectrical quantities measurement by means of multiple-point instrumentation system with transfer function monitoring feature, and instrumentation system for implementation thereof | |
JP2012127721A (en) | Failure diagnostic device for load cell | |
RU2484435C1 (en) | Pressure measurement method, calibration method and pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system | |
RU68690U1 (en) | DEVICE FOR TEMPERATURE MEASUREMENT | |
JP2020060562A (en) | Sensor and method for checking sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140515 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160520 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170504 |