Спосіб надлишкових вимірювань тиску

1. Спосіб надлишкових вимірювань тиску, оснований на формуванні направленого потоку оптичного випромінювання Ф0 у заданому діапазоні довжин хвиль і розділенні його на два потоки оптичного випромінювання Ф01 і Ф02, одночасній модуляції їх потужностей нормованим за значенням тиском р0 і невідомим за значенням тиском рх, відповідно, перетворенні потужностей модульованих потоків оптичного випромінювання Фм1 і Фм2 у напруги UФ1 і UФ2, відповідно, їх вимірюванні і запам'ятовуванні отриманих дійсних значень зазначених напруг з подальшим визначенням дійсного значення тиску рх за рівнянням вимірювання, який відрізняється тим, що додатково формують потік оптичного випромінювання Ф03, вирівнюють потужності потоків оптичного випромінювання Ф01, Ф02 і Ф03, одночасно з модуляцією потужностей потоків оптичного випромінювання Ф01 і Ф02 модулюють потужність потоку оптичного випромінювання Ф03 тиском p S , значення якого дорівнює сумі значень тисків р0 і рх, перетворюють потужність модульованого потоку оптичного випромінювання Фм3 у напругу UФ3, вимірюють її та запам'ятовують отримане дійсне значення зазначеної напруги, вимірюють температуру оточуючого середовища Тх, запам'ятовують її дійсне значення і визначають дійсне значення тиску р х згідно з рівнянням надлишкових вимірювань Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути застосований для високоточного вимірювання тиску оптико - електронними методами. Відомий спосіб вимірювання тиску [А.с. 1500889 СССР, МКИ5 G01L11/00. Датчик давления / В.А. Раков, В.Г. Тимошенко, Е.Ф. Волосожар. - №4350110/24-10; Заявл.17.11.87; Опубл.15.08.89. Бюл. №30. - 3с], який оснований на формуванні направленого потоку оптичного випромінювання Ф0 у заданому діапазоні довжин хвиль і розділенні його на два потоки оптичного випромінювання Ф01 і Ф02, одночасній модуляції їх потужностей нормованим за значенням тиском р 0 і невідомим за значенням (UФ1 -UФ 2 ) UФ 3 -U Ф2 U Ф1 -U Ф2 æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ1 æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ1 ÷ ÷ ç -ç çI ÷ çI ÷ è Т1 ø è Т1 ø p x = p0 . U -U Ф3 Ф2 (19) æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ1 ÷ ç - k1 çI ÷ è Т1 ø (13) - k1 e де k - стала Больцмана (k=1,38•10-23Дж/К); q - заряд електрона (q=1,60•10-19Кл); k1 - постійний коефіцієнт, причому k1=1. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що температуру оточуючого середовища Тх вимірюють шляхом додаткового перетворення напруги UTl термочутливого опору р-n-переходу напівпровідникового сенсора, при першому значенні струму І Т1 через нього, вимірюють напругу UTl та запам'ятовують її дійсне значення, перетворюють у напругу UT2 термочутливий опір р-n-переходу напівпровідникового сенсора, що відповідає температурі оточуючого середовища Тх, при другому значенні струму І Т2 через нього, причому {І Т2}=(0,05...0,1){І Т1}, далі вимірюють напругу UT2 та запам'ятовують її дійсне значення, а дійсне значення тиску рх визначають згідно з рівнянням надлишкових вимірювань C2 , q (UФ 3 -UФ 2 ) kTx 86075 q - e kTx (11) px = p0 (UФ 3 -UФ 2 ) UA q e kTx 3 86075 4 тиском рх, відповідно, перетворенні потужностей випромінювання у напругу. Це обумовлює появу модульованих потоків оптичного випромінювання похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікаФм1 і Фм2 у напруги UФ1 і UФ2, відповідно, їх вимітивної складових систематичної похибки. Зазнарюванні і запам'ятовуванні отриманих дійсних чений спосіб не повністю виключає ці похибки, значень зазначених напруг з подальшим визнаоскільки не вирішує задачу лінеаризації загальної ченням дійсного значення тиску р х за рівнянням функції механіко - оптико - електронного перетвовимірювання. рення тиску у напругу. Відомий спосіб не дозволяє забезпечити висоВ основу винаходу покладена технічна задача ку точність вимірювання дійсного значення тиску. створення такого способу надлишкових вимірюПричинами цього є нелінійність і нестабільність вань тиску, у якому шляхом введення заданої кільфункції перетворення тиску у потужність потоку кості, послідовності, умов виконання операцій та оптичного випромінювання, а також нелінійність і обробки результатів проміжних вимірювань по нестабільність функції перетворення потужності мозаздалегідь заданому рівнянню надлишкових видульованого потоку оптичного випромінювання у мірювань, забезпечувалося б підвищення точності напругу, які призводять до появи похибки від нелівимірювання тиску при нелінійній та нестабільній нійності, адитивної і мультиплікативної складових функції механіко - оптико - електронного перетвосистематичної похибки. рення тиску в напругу. Відомий інший спосіб вимірювання тиску [БаПоставлена задача вирішується завдяки тому, деева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина що спосіб надлишкових вимірювань тиску, основаТ.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектиний на формуванні направленого потоку оптичного рования амплитудных волоконно - оптических датвипромінювання Ф0 у заданому діапазоні довчиков давления с открытым оптическим каналом: жин хвиль і розділенні його на два потоки оптичМонография. - М: МГУЛ, 2004. - 246с], який осноного випромінювання Ф01 і Ф02, одночасній модуляваний на формуванні направленого потоку оптичції їх потужностей нормованим за значенням ного випромінювання Ф0 у заданому діапазоні тиском р0 і невідомим за значенням тиском рх, віддовжин хвиль і розділенні його на два потоки повідно, перетворенні потужностей модульованих оптичного випромінювання Ф01 і Ф02, одночасній потоків оптичного випромінювання Фм1 і Фм2 у напруги UФ1 і UФ2, відповідно, їх вимірюванні і запамодуляції їх потужностей нормованим за значенням тиском р0 і невідомим за значенням тиском рх, м'ятовуванні отриманих дійсних значень зазначевідповідно, перетворенні потужностей модульованих напруг з подальшим визначенням дійсного них потоків оптичного випромінювання Фм1 і Фм2 у значення тиску рх за рівнянням вимірювання, від напруги UФ1 і UФ2 відповідно, їх вимірюванні і завідомих способів відрізняється тим, що додатково пам'ятовуванні отриманих дійсних значень зазнаформують потік оптичного випромінювання Ф03, чених напруг з подальшим визначенням дійсного вирівнюють потужності потоків оптичного випромізначення тиску р х за рівнянням вимірювання. нювання Ф01, Ф02 і Ф03, одночасно з модуляцією Відомий спосіб також не забезпечує високу точпотужностей потоків оптичного випромінювання Ф01 ність вимірювання. Причинами, що заважають досяі Ф02 модулюють потужність потоку оптичного вигненню поставленої задачі підвищення точності випромінювання Ф03 тиском pS , значення якого дорімірювання, є нелінійність і нестабільність функції внює сумі значень тисків р0 і рх, перетворюють поперетворення тиску у потужність потоку оптичного тужність модульованого потоку оптичного випромінювання, а також нелінійність і нестабільність випромінювання Фм3 у напругу UФ3, вимірюють її та функції перетворення потужності модульованого позапам'ятовують отримане дійсне значення зазнатоку оптичного випромінювання у напругу. ченої напруги, вимірюють температуру оточуючоВідомий спосіб вимірювання тиску [А.с. 1796937 го середовища Тх одним з відомих способів, запа5 СССР, МКИ G01L11/00. Волоконно - оптический м'ятовують її дійсне значення і визначають дійсне датчик давления / Е.М. Белозубов, B.C. Полузначення тиску рх згідно з рівнянням надлишконин. №4907744/10; Заявл.25.12.90; вих вимірювань Опубл.23.02.93. Бюл. №7. - 3с], який оснований на q q (UФ 3 -UФ 2 ) (UФ1 -UФ 2 ) формуванні направленого потоку оптичного ви- e kTx e kTx промінювання Ф0 у заданому діапазоні довжин px = p0 q хвиль і розділенні його на два потоки оптичного (UФ 3 -UФ 2 ) випромінювання Ф01 і Ф02, одночасній модуляції їх - k1 e kTx , потужностей нормованим за значенням тиском р 0 і де k - стала Больцмана (k=1,38×10-23Дж/К); q невідомим за значенням тиском рх, відповідно, пезаряд електрону (q=1,60×10-19Кл); k1 - постійний ретворенні потужностей модульованих потоків опкоефіцієнт, причому k1=1. тичного випромінювання Фм1 і Фм2 у напруги UФ1 і Другий спосіб надлишкових вимірювань тиску UФ2, відповідно, їх вимірюванні і запам'ятовуванні відрізняється від першого тим, що додатково пеотриманих дійсних значень зазначених напруг з ретворюють у напругу UТ1 термочутливий опір подальшим визначенням дійсного значення тиску р-n - переходу напівпровідникового сенсора, що рх за рівнянням вимірювання. відповідає температурі оточуючого середовища Причинами, що заважають досягненню поставТх, при першому значенні струму І Т1 через нього, леної задачі підвищення точності вимірювання, є вимірюють напругу UTl та запам'ятовують її дійсне нестабільність функції перетворення тиску в потузначення, перетворюють у напругу UT2 термочутжність потоку оптичного випромінювання і нелінійливий опір р-n - переходу напівпровідникового ність та нестабільність функції перетворення посенсора, що відповідає температурі оточуючого тужності модульованого потоку оптичного 5 86075 6 середовища Тх, при другому значенні струму І Т2 3 m2 )]/(16{Ем }{hм} ); {Rм} і {hм} - значення радіусу і через нього, причому {І Т2}=(0,05...0,1){І Т1}, далі M вимірюють напругу UT2 та запам'ятовують її дійстовщини мембрани; {Ем} - значення модуля Юнга не значення, а дійсне значення тиску рх визначаматеріалу мембрани; mм - коефіцієнт Пуассона ють згідно з рівнянням надлишкових вимірювань матеріалу мембрани; k2 - постійний коефіцієнт, UФ 3 -U Ф2 U Ф1 -U Ф2 причому k2 =2. æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ1 æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ1 Перетворення модульованих потоків оптично÷ ÷ ç -ç çI ÷ çI ÷ го випромінювання у напруги здійснюється за доè Т1 ø è Т1 ø p x = p0 UФ 3 -U Ф2 помогою напівпровідникового фотодіоду 4. Функція æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ1 перетворення зазначеного фотодіода описується ÷ ç - k1 çI ÷ відомим рівнянням величин [Соболева Н.А., МеТ1 ø è . ламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. Учеб. поСуть запропонованого способу надлишкових собие для студентов специальности «Электронвимірювань тиску пояснюється структурною схеные приборы» вузов. - М.: «Высшая школа», 1974. мою пристрою наведеною на Фіг., де 1 - світлоді- 376с.]: од; 2 - волоконно - оптичний сенсор тиску; 3 - оптиæS ö kT чний перемикач з ручним керуванням (РК); 4 UФ = x lnç 1 Фм + k1 ÷ , ÷ q ç Is напівпровідниковий фотодіод; 5 - напівпровідникоè ø вий сенсор температури (термодіод); 6 - електричде k - стала Больцмана (k=1,38×10-23Дж/К); Тх ний перемикач з ручним керуванням; 7 - вольтметр абсолютна температура середовища, в якому зназ цифровим відліковим пристроєм. ходиться фотодіод 4; q - заряд електрону (q=1,60×1019 В якості сенсора тиску 2 у пропонованому техКл); S1 і I s - струмова чутливість і темновий нічному рішенні пристрою використовують волострум фотодіоду 4. конно - оптичний сенсор тиску рефлексометричноЯкщо потужність потоку оптичного випромінюго типу з трьома підвідними-відвідними вання Фм встановлюють такою, що виконується волоконними світловодами. Волоконно - оптинерівність {S1} {Фм}/{I s}>>1, то функція перетвочний сенсор тиску 2 має дві робочі камери, в кожрення фотодіода 4 може бути представлена у наній з яких закріплено по мембрані з дзеркальною ступному вигляді: внутрішньою поверхнею. Напроти центрів першої æS ö kT та другої мембран на відстані d0 закріплені торці UФ = x ln ç 1 Ф м ÷ . çI ÷ першого і другого підвідних-відвідних волоконних q è s ø світловодів, відповідно. Торець третього підвідноЗгідно із запропонованим способом, спочатку го - відвідного волоконного світловода закріплений за допомогою світлодіода 1 формують направленапроти нерухомої дзеркальної поверхні також на ний потік оптичного випромінювання Ф0 у заданому відстані d0. Слід зазначити, що друга робоча камера діапазоні довжин хвиль і розділяють його на три волоконно - оптичного сенсора 2 виконана таким рівні за потужністю потоки оптичного випромінюванчином, що в неї можна одночасно подавати як невіня Ф01, Ф02 і Ф03 ({Ф01)={Ф02}=(Ф03}).Останні по підвіддомий за значенням тиск рх, так і нормований за ним - відвідним волоконним світловодам поступазначенням тиск. ють у волоконно - оптичний сенсор тиску 2. Модуляція потужності потоку оптичного виПотужність потоку оптичного випромінювання промінювання у волоконно - оптичному сенсорі Ф01 модулюють тиском, значення якого дорівнює рефлексометричного типу здійснюється за рахунок значенню тиску р0 у внутрішній порожнині волоконпереміщення відносно торця підвідного - відвідноно - оптичного сенсора 2. Для цього потік оптиго волоконного світловода дзеркальної поверхні чного випромінювання Ф 01 по третьому підвідмембрани при її прогині під дією тиску. ному - відвідному волоконному світловоду Функція перетворення волоконно - оптичного направляють на нерухому дзеркальну поверхню. сенсора тиску, в якому використовується закріплеВідбиваючись від неї частина потоку оптичного на по контуру пласка мембрана, описується настувипромінювання повертається у третій підвіднийпним рівнянням величин [Кондратов В.Т., Редько відвідний волоконний світловод. У результаті на В.В. Цифровий вимірювач абсолютного тиску зі виході останнього утворюється модульований потік структурно - надлишковим волоконно - оптичним оптичного випромінювання Фм1: сенсором // Вимірювальна та обчислювальна техніr - d0 tg QNA ка в технологічних процесах. 2005. - №1. - С.25-33]. Фм1 = Ф01 c (1) k 2rc rc - [d0 - SТП (p x - p0 )]tg QNA , Фм = Ф0 Потужність потоку оптичного випромінювання k 2rc Ф02 модулюють невідомим за значенням тиском рх. де Ф0 - потік оптичного випромінювання, що виДля цього тиск рх подають у другу робочу камеру промінюється з торця волоконного світловода у волоконно - оптичного сенсора 2, а потік оптичного напрямку дзеркальної поверхні мембрани; QNA і rс випромінювання Ф02 по першому підвідномувідвідному волоконному світловоду направляють на - апертурний кут і радіус серцевини волоконного дзеркальну поверхню мембрани, закріпленої у дасвітловода; d0 - початкова відстань між центром ній камері. Відбиваючись від дзеркальної поверхні мембрани і торцем волоконного світловода; р0 мембрани частина потоку оптичного випромінювання тиск у внутрішній порожнині волоконно-оптичного повертається у перший підвідний-відвідний волоконсенсора; STП - коефіцієнт перетворення тиску у ний світловод. У результаті на виході останнього прогин мембрани, причому {S тп}=[3{Rм }4 (1 7 86075 8 утворюється модульований потік оптичного випромівимірювання температури оточуючого середовища Тх. Для цього в конструкцію пристрою для вимірюнювання Фм2: вання тиску додатково введений напівпровідникоrс - [d0 - SТП (p x - p 0 )]tg QNA Фм2 = Ф02 (2) вий сенсор температури 5 (термодіод). Його функk 2rc ція перетворення описується відомим рівнянням Одночасно з модуляцією потужностей потоків величин [Абидов М.А. Статические характеристики оптичного випромінювання Ф01 і Ф02 модулюють диодных структур. - М.: Радио и связь, 1989. потужність потоку оптичного випромінювання Ф03 152с.]. тиском pS , значення якого дорівнює сумі знаù éI æ qU ö kT чень тисків р0 і рх . Для цього у другу робочу каUТ = x lnê Т expç к ÷ + k1ú , ç kT ÷ q ê I0 ú è x ø û ë меру волоконно - оптичного сенсора 2 одночасно подають тиски р 0 і рх . Потік оптичного випроміде UT - падіння напруги на р-n - переході; І т нювання Ф 03 по другому підвідному - відвіднострум через р-n - перехід; I 0 - струм насичення при му волоконному світловоду направляють на дзерТ x ® ¥ ; UK - контактна різниця потенціалів на межі кальну поверхню мембрани, закріпленої у другій розділу областей з провідностями n- і р - типу. робочій камері. Відбиваючись від неї частина поПри умові, що {I T}exp[{q}{UK}/({k}{Tx })]>>{I 0 }, току оптичного випромінювання повертається у то функція перетворення напівпровідникового другий підвідний - відвідний волоконний світловод. сенсора температури 5 може бути представлена у У результаті на його виході утворюється модульонаступному вигляді: ваний потік оптичного випромінювання Фм3: æI ö kT r - (d0 - Sтпp x )tg QNA UТ = Uк - x lnç 0 ÷ . Фм3 = Ф03 c (3) q ç IТ ÷ è ø k 2rc Згідно із пропонованим способом спочатку чеДалі потужності модульованих потоків оптичного рез р-n - перехід напівпровідникового сенсора випромінювання Фм1 (1), Фм2 (2) і Фм3 (3) перетвотемператури 5 пропускають струм I T1. Значення рюють у напруги UФ1, UФ2 і UФ3, відповідно. Для цього струму обирають гранично малим, вихоцього модульовані потоки оптичного випромінювання дячи з початкової ділянки воль т - амперної хаФм1 (1), Фм2 (2) і Фм3 (3) через оптичний перемикач 3 рактеристики напівпровідникового сенсора темпепочергово подають на фотодіод 4. У результаті на ратури 5, що виключає додатковий нагрів р-n виході останнього у відповідні моменти часу утвопереходу відносно температури оточуючого серерюються напруги довища Т х. æS ö kT Термочутливий опір р-n - переходу напівпровіUФ1 = x lnç 1 Фм1 ÷ (4) ÷ q ç Is дникового сенсора температури 5 перетворюють у è ø напругу UT1 : ö æ S1 kT (5) Фм2 ÷ æI ö UФ2 = x lnç kT ÷ çI UТ1 = Uк - x lnç 0 ÷ (8) q ø è s q ç IТ1 ÷ ø è ö æ S1 kT Напругу Uт1 через електричний перемикач 6 поUФ3 = x lnç Фм3 ÷ (6) ÷ q ç Is дають на вхід вольтметра 7, вимірюють її та запаø è м'ятовують отримане дійсне значення. Напруги UФ1 (4), UФ2 (5) і UФ3 (6) через електриПотім через р-n - перехід напівпровідникового чний перемикач 6 почергово подають на вхід сенсора температури 5 пропускають струм І Т2. Знавольтметра 7, вимірюють їх і запам'ятовують чення струму І Т2 встановлюють на (5... 10)% більотримані дійсні значення напруг. шим за значення струму І Т1 (тобто Далі одним з відомих способів вимірюють тем{І Т2 }=(0,05...0,1){І Т1}), що практично не змінює тепературу оточуючого середовища Тх і запам'ятоплового стану р-n - переходу. вують її дійсне значення. Термочутливий опір р-n - переходу напівпроДійсне значення тиску р х визначають згідно з відникового сенсора температури 5 перетворюють рівнянням надлишкових вимірювань у напругу UT2: q (UФ3 -UФ2 ) q (UФ1 -UФ2 ) æ I ö kT - e kTx e kTx UТ2 = Uк - x lnç 0 ÷ (9) . p x = p0 (7) q ç IТ2 ÷ ø è q (UФ3 -UФ 2 ) Напругу UT2 через електричний перемикач 6 по- k1 e kTx дають на вхід вольтметра 7, вимірюють її та запаАналіз рівняння надлишкових вимірювань (7) м'ятовують отримане дійсне значення. показав, що обробка результатів проміжних виміДійсне значення тиску р х визначають згідно рювань (4)-(6) зазначеним чином забезпечує виз рівнянням надлишкових вимірювань ключення впливу на результат вимірювання тиску UФ 1 -UФ 2 UФ 3 -UФ 2 абсолютних значень параметрів функції механіко æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ 1 æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ1 ÷ ÷ ç -ç - оптико - електронного перетворення тиску в наçI ÷ çI ÷ è Т1 ø пругу, а також їх змін під дією дестабілізуючих фаp x = p 0 è Т1 ø (10) UФ 3 -UФ 2 кторів. Крім того при цьому забезпечується лінійна æ IТ 2 ö UТ 2 -UТ 1 залежність результату вимірювання від вимірюваç - k1 ÷ çI ÷ ного тиску. è Т1 ø Як видно з рівняння (7) для отримання точного Аналіз рівняння надлишкових вимірювань (10) значення тиску рх необхідно виконати високоточне показав, що обробка результатів проміжних вимі 9 86075 10 рювань (4)-(6), (8) і (9) зазначеним чином забезпеадитивної і мультиплікативної складових системачує додаткове підвищення точності вимірювання тичної похибки. тиску за рахунок виключення впливу на результат Позитивний ефект отриманий завдяки введенвимірювання тиску абсолютних значень параметрів ню нової сукупності та послідовності операцій вифункції перетворення температури у напругу (фунмірювання різних за значеннями тисків і викорискції перетворення напівпровідникового сенсора тання нового рівняння надлишкових вимірювань. температури 5), а також їх змін під дією дестабіліТаким чином, запропонований спосіб надлишзуючих факторів. кових вимірювань тиску забезпечує вирішення поОтже, спосіб надлишкових вимірювань тиску ставленої технічної задачі. забезпечує виключення похибки від нелінійності, Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601