Стенд для калибровки датчиков температуры и давления воздуха в шинах

Авторы патента:

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к оборудованию для калибровки датчиков давления, работающих в условиях широкого диапазона температур и давлений, например, датчиков газотурбинных двигателей. Стенд для калибровки датчиков давления содержит камеру, в которой размещено приспособление для установки калибруемого датчика, модуль управления, задатчик программы тарировки, а также систему терморегулирования полости камеры, включающую установленный в полости камеры датчик температуры и систему подачи рабочей среды под заданным давлением, в линии которой установлен датчик давления. Приспособление для установки калибруемого датчика выполнено в виде полого корпуса, на котором имеется, как минимум, одно место для установки тарируемого датчика, а к полости подсоединена линия подачи газа, система терморегулирования камеры включает размещенную в камере термобатарею, а также блок управления и первый элемент сравнения, выход которого связан с блоком управления, а первый вход - с датчиком температуры, система подачи газа подсоединена к полости корпуса приспособления для установки датчика и включает последовательно соединенные регулятор давления подаваемого газа, имеющий возможность соединения через редуктор с емкостью для газа, управляемый клапан, датчик давления, подсоединенный к полости корпуса приспособления, а также второй элемент сравнения, модуль управления выполнен в виде программного блока, блока управления давлением подаваемого в полость корпуса приспособления газа и задатчиками давления и температуры, связанными с программным блоком, а также соответственно с первым входом второго элемента сравнения, со вторым входом которого связан датчик давления, и вторым входом первого элемента сравнения, причем выход задатчика давления связан с регулятором давления подаваемого газа, с входами блока управления давлением подаваемого в полость корпуса приспособления газа связаны выход программного блока и выход второго элемента сравнения, а выход - с управляемым клапаном, причем выходы элементов сравнения дополнительно соединены с входами программного блока, один из входов которого связан с задатчиком программы тарировки, а один из его выходов - с блоком управления системы терморегулирования полости камеры, при этом, программный блок имеет возможность соединения с калибруемым датчиком. 2 з п ф-лы, 1 илл.

Известно устройство для калибровки датчиков давления, содержащее соединенную с источником давления резонансную трубу с гнездами для контрольного и калибруемого датчиков, клапан, обеспечивающий пульсацию давления, подключенный к резонансной трубе, задатчик среднего давления, выполненный в виде стакана, вертикально установленного на трубе.

(см. авторское свидетельство СССР 1739230, кл. G01L 27/00, 1992 г.).

Недостатками известного устройства являются невозможность автоматизации процесса тарировки, а также невозможность проведения тарировки с учетом влияния температуры воздуха на показания датчиков давления, что существенно снижает ее точность.

Известен стенд для калибровки датчиков давления, содержащий камеру, размещенный в камере выдвижной стол для установки подлежащих тарировке датчиков, на которых крепят мобильные датчики температуры, кроме того в камере размещены эталонный датчик давления и стационарный датчик температуры, причем стенд оснащен системами поддержания заданных давления и температуры в камере, пультом управления, системой обмена информацией и персональным компьютером. Рабочая камера выполнена герметичной и снабжена клапаном, соединенным с пультом управления, что позволяет поддерживать заданное давление при изменении температуры в камере.

Система управления и обработки данных стенда включает персональный компьютер, пульт управления и систему обмена информацией, выполненные на базе микропроцессоров. В системе управления и обработки данных используют персональный компьютер, например IBM PC, с частотой процессора не менее 1 Мгц., что позволяет использовать полученную информацию в реальном времени. Обмен данными между системой обмена информацией и персональным компьютером осуществляется посредством USB, калибруемый датчик и пульт управления обмениваются данными с системой обмена информацией посредством интерфейса RS485, а датчики давления и температуры опрашиваются пультом по протоколу I2C.

При проведении калибровки в рабочую камеру на выдвижной стол помещают калибруемый датчик, устанавливают на его корпусе мобильный датчик температуры, задвигают стол с датчиком в камеру. Камеру герметично закрывают крышкой. Система управления подает сигнал в систему регулирования давления. Компрессор накачивает воздух в рабочую камеру до установления требуемого значения давления. Система поддержания заданной температуры при этом нагревает/охлаждает и перемешивает воздух, устанавливая заданную температуру в полости камеры. Данные, полученные от эталонного датчика давления, стационарного датчика температуры, мобильного датчика температуры и калибруемого датчика поступают в систему обмена информации и далее на компьютер, где происходит обработка данных, которые учитываются при проведении процесса тарировки.

(см. патент РФ на полезную модель 110482, кл G01L 27/00, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известного стенда необходимо отметить, что он имеет ограниченную область применения, так как может быть использован только для калибровки крупных датчиков, размеры которых позволяют устанавливать на них мобильный датчик, кроме того, данный стенд не обеспечивает высокую точность калибровки, так как датчики калибруются в условиях, отличных от условий их работы на реальных объектах, а кроме того, не обеспечивается автоматическая корректировка характеристики значений показания датчика от температуры в памяти его микросхемы.

Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка стенда для калибровки датчиков давления, обеспечивающего высокую точность калибровки за счет устранения негативного влияния на точность показаний датчика работающего оборудования, на которое он будет установлен.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в стенде для калибровки датчиков давления, содержащем герметичную камеру, в которой размещено приспособление для установки подлежащего калибровке датчика, модуль управления, задатчик программы тарировки, а также систему терморегулирования полости камеры, включающую установленный в полости камеры датчик температуры и систему подачи рабочей среды под заданным давлением, в линии которой установлен датчик давления, новым является то, что приспособление для установки подлежащего калибровке датчика выполнено в виде полого корпуса, на котором имеется, как минимум, одно место для установки тарируемого датчика, а к полости подсоединена линия подачи газа, система терморегулирования камеры включает размещенную в камере термобатарею, а также блок управления и первый элемент сравнения, выход которого связан с блоком управления, а первый вход - с датчиком температуры, система подачи газа подсоединена к полости корпуса приспособления для установки датчика и включает последовательно соединенные регулятор давления подаваемого газа, имеющий возможность соединения через редуктор с емкостью для газа, управляемый клапан, датчик давления, подсоединенный к полости корпуса приспособления, а также второй элемент сравнения, модуль управления выполнен в виде программного блока, блока управления давлением подаваемого в полость корпуса приспособления газа и задатчиками давления и температуры, связанными с программным блоком, а также соответственно с первым входом второго элемента сравнения, со вторым входом которого связан датчик давления, и вторым входом первого элемента сравнения, причем выход задатчика давления связан с регулятором давления подаваемого газа, с входами блока управления давлением подаваемого в полость корпуса приспособления газа связаны выход программного блока и выход второго элемента сравнения, а выход - с управляемым клапаном, причем выходы элементов сравнения дополнительно соединены с входами программного блока, один из входов которого связан с задатчиком программы тарировки, а один из его выходов - с блоком управления системы терморегулирования полости камеры, при этом, программный блок имеет возможность соединения с калибруемым датчиком, причем стенд может быть оснащен вакуумным насосом, включенным в линию подвода газа между управляемым клапаном и датчиком давления и связанным с блоком управления давлением подаваемого газа в полость корпуса приспособления или оснащен связанным с блоком управления управляемым запорным клапаном, установленным на выходе емкости, предназначенной для хранения под давлением сжиженного газа, а выход клапана связан с полостью камеры.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема стенда для калибровки датчиков давления.

Стенд для калибровки датчиков давления содержит герметичную камеру 1, в которой размещено приспособление 2 для установки подлежащего калибровке датчика (датчиков), выполненное, в виде полого корпуса, на котором имеются места (например, резьбовые отверстия) для установки датчиков. К полости корпуса подведен штуцер 3, предназначенный для соединения с линией подачи в полость корпуса рабочей среды (газа, масла или топлива) под заданным давлением. В качестве рабочей среды обычно выбирают среду, с которой будет работать датчик на реальном объекте. Это повышает точность калибровки.

Камера 1 оснащена системой терморегулирования, предназначенной для обеспечения в камере заданного температурного режима в процессе калибровки. Данная система включает расположенные в полости камеры 1 датчик 4 температуры и термобатарею 5, а также управляемый запорный клапан 6, установленный на выходе емкости 7, в которой под давлением находится охлаждающий газ (например, сжиженный азот).

Управление запорным клапаном 6, выход которого связан с полостью камеры 1, осуществляется от блока управления 8, вход которого связан с выходом первого элемента сравнения 9, первый вход которого связан с датчиком 4 температуры.

Стенд оснащен модулем управления 10, включающим задатчик 11 температуры в полости камеры 1, выход которого связан со вторым входом первого элемента сравнения 9.

Стенд оснащен системой подачи рабочей среды в полость корпуса приспособления 2, включающей емкость 12 для рабочей среды, связанную через редуктор 13 с регулятором 14 давления среды, выход которого через управляемый клапан 15 подсоединен к штуцеру 3.

Модуль управления 10 также содержит задатчик 16 давления рабочей среды, подаваемой в полость корпуса приспособления 2, первый выход которого связан с регулятором 14 давления, а второй - с первым входом второго элемента сравнения 17. В состав модуля 10 входят блок 18 управления давлением подаваемой среды в полость корпуса приспособления 2 и программный блок 19, выход которого связан с первым входом блока 18, второй вход которого связан с выходом второго элемента сравнения 17. Первый выход блока 18 подключен к управляющему входу клапана 15, между которым и штуцером 3 в линии подачи среды в полость корпуса приспособления 2 установлен датчик 20 давления среды, подключенный ко второму входу второго элемента сравнения 17.

Выход элемента сравнения 17 дополнительно подключен к блоку 19, который связан двунаправленными связями с блоками 11 и 16, а одним из своих выходов - с входом блока управления 8. С блоком 19 также связан выход первого элемента сравнения 9.

Стенд также оснащен задатчиком 21 программы калибровки датчика, выход которого связан с блоком 19 модуля 10.

В состав блока 19 входят процессор 22 и элемент памяти 23.

Стенд может быть оснащен вакуумным насосом 24, подключенным к линии подачи рабочей среды к штуцеру 3, управление вакуумным насосом осуществляется от второго выхода блока 18.

Блок 19 также связан двунаправленной связью с калибруемым датчиком (позицией на фиг не обозначен).

Заявленный стенд скомплектован из стандартных блоков и модулей.

Так, в качестве блока управления 8 управления может быть использован стандартный цифровой электронный блок.

Редуктор 13, регулятор 14, а также клапан 15 являются стандартными.

В качестве задатчиков 11 и 16 могут быть использованы стандартные цифровые электронные блоки.

В качестве термобатареи 5 может быть использована стандартный тепловой электрический нагреватель.

В качестве блока 18 управления давлением подаваемой в полость корпуса приспособления 2 среды может быть использован стандартный регулятор давления с электронным управлением.

В качестве программного блока 19 может быть использован стандартный цифровой электронный блок.

В качестве задатчика 21 может быть использован стандартный компьютер, в программный блок которого заложены программы калибровки датчиков, задание которых осуществляется с клавиатуры, Используемые датчики давления 20 и температуры 4, а также элементы сравнения 9 и 17, запорный клапан 6 являются стандартными.

Стенд для калибровки датчиков давления работает следующим образом.

Работу стенда рассмотрим на примере калибровки датчиков давления воздуха газотурбинного двигателя. Рабочей средой в данном случае является воздух. Чувствительным элементом таких датчиков является тарированная упругая мембрана, на которой размещена интегральная микросхема, преобразующая деформацию мембраны в электрический сигнал. В состав данной микросхемы входит блок памяти. Необходимо отметить, что данные датчики давления работают в условиях широкого диапазона температур объекта, на котором они установлены, а величина температуры существенно влияет на точность их работы. Поэтому калибровка таких датчиков, позволяющая обеспечить линейность выходной характеристики от величины измеряемого давления, а также исключить влияние колебания температуры на точность их показаний, является весьма сложной и, несомненно, актуальной задачей. Данную задачу позволяет решить заявленная конструкция стенда.

Калибруемый датчик устанавливают на приспособлении 2 в камере 1, соединяют его электронную микросхему с элементом памяти 23 блока 19. Закрывают камеру 1. Количество одновременно калибруемых датчиков, устанавливаемых на корпусе приспособления 2, может быть различным. Ниже будет описан процесс калибровки одного датчика давления. Для остальных датчиков этот процесс осуществляется аналогично.

Задатчиком 21 задают цикл (программу) калибровки, соответствии с которым блок 19 устанавливает режимы работы задатчиков 11 и 16, блока управления 8 и блока 18.

Блок управления 8, в зависимости от поданной на него команды, задает закон нагрева термобатареи 5, которая обеспечивает в полости камеры 1 заданный температурный режим или закон его изменения в течение всего цикла калибровки. Параллельно с задатчика 11 на второй вход первого элемента сравнения 9 поступает управляющий сигнал, характеризующий заданное значение температуры в камере 1. В случае, если с задатчика 11 поступила команда, предусматривающая проведение калибровки при пониженных температурах, то с блока 19 на блок управления 8 подается соответствующая команда, по которой с блока управления 8 следует команда на открытие запорного клапана 6 и жидкий азот из емкости 7 поступает в полость камеры 1, охлаждая ее до заданной температуры, которая измеряется датчиком 4.

Одновременно с задатчика 16 поступает управляющая команда на регулятор 14, который срабатывает и открывает подачу газа из емкости 12 через редуктор 13, который снижает давление емкости до рабочего, к клапану 15, который по командам от блока 18 регулирует закон подачи газа в полость корпуса приспособления 2. Датчик 20 контролирует значение давления, подаваемого через штуцер 3 в полость корпуса приспособления 2 к тарируемому датчику.

В процессе работы стенда, управляющие сигналы заданных давления и температуры поступают с задатчиков 16 и 11 соответственно на элементы сравнения 17 и 9, где сравниваются с сигналами соответственно датчиков 20 и 4. Как только температура в полости камеры и давление в полости корпуса приспособления 2 для установки калибруемого датчика достигнут заданных значений, на элементах сравнения вырабатываются нулевые сигналы. Данные сигналы поступают на блок управления 8, блок 18 и блок 19. Данные сигналы показывают, что условия для калибровки датчика подготовлены и блок 19 подает сигнал на блок 18, который по заранее заданной программе регулирует проходное сечение клапана 15, изменяя по заданному закону давление в полости приспособления 2 и, соответственно, на мембране калибруемого датчика. Блок управления 8 при этом поддерживает заданную температуру в полости камеры 1.

В процессе калибровки информация о положении мембраны датчика в зависимости от приложенного давления и температуры в полости камеры 1 поступает с интегральной микросхемы калибруемого датчика в блок 19, где в процессоре 22 обрабатывается с помощью одной из стандартных программ, например МНК (метод наименьших квадратов) и записывается в элемент памяти 23 данного блока и по окончании процесса тарировки передается из элемента памяти 23 блока 19 в блок памяти интегральной микросхемы датчика. Процесс тарировки датчика закончен.

В случае необходимости проведения тарировки датчика давления для его работы в условиях вакуума, перекрывают регулятор 14 и клапан 15. Запускают вакуумный насос 24, управление которым осуществляют от блока 18. Насос 24 обеспечивает заданный уровень вакуума в полости корпуса приспособления 2. Дальнейшие действия при проведении тарировки аналогичны описанному выше.

Заявленный стенд позволяет обеспечить высокую точность калибровки за счет устранения негативного влияния на точность калибровки температуры окружающей среды, а также за счет обеспечения при проведении калибровки имитации всех контролируемых датчиком режимов с учетом влияния внешних факторов.

1. Стенд для калибровки датчиков давления, содержащий герметичную камеру, в которой размещено приспособление для установки подлежащего калибровке датчика, модуль управления, задатчик программы тарировки, а также систему терморегулирования полости камеры, включающую установленный в полости камеры датчик температуры и систему подачи рабочей среды под заданным давлением, в линии которой установлен датчик давления, отличающийся тем, что приспособление для установки подлежащего калибровке датчика выполнено в виде полого корпуса, на котором имеется, как минимум, одно место для установки тарируемого датчика, а к полости подсоединена линия подачи рабочей среды, система терморегулирования камеры включает размещенную в камере термобатарею, а также блок управления и первый элемент сравнения, выход которого связан с блоком управления, а первый вход - с установленным в камере датчиком температуры, система подачи рабочей среды подсоединена к полости корпуса приспособления для установки датчика и включает последовательно соединенные регулятор давления подаваемой среды, имеющий возможность соединения через редуктор с емкостью для рабочей среды, управляемый клапан, датчик давления, подсоединенный к полости корпуса приспособления, а также второй элемент сравнения, модуль управления выполнен в виде программного блока, блока управления давлением подаваемой в полость корпуса приспособления рабочей среды и задатчиками давления и температуры, связанными с программным блоком, а также соответственно с первым входом второго элемента сравнения, со вторым входом которого связан датчик давления, и вторым входом первого элемента сравнения, причем выход задатчика давления связан с регулятором давления подаваемой рабочей среды, с входами блока управления давлением подаваемой в полость корпуса приспособления рабочей среды связаны выход программного блока и выход второго элемента сравнения, а выход - с управляемым клапаном, причем выходы элементов сравнения дополнительно соединены с входами программного блока, один из входов которого связан с задатчиком программы тарировки, а один из его выходов - с блоком управления системы терморегулирования полости камеры, при этом программный блок имеет возможность соединения с калибруемым датчиком.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что он оснащен вакуумным насосом, включенным в линию подвода рабочей среды между управляемым клапаном и датчиком давления и связанным с блоком управления давлением подаваемой рабочей среды в полость корпуса приспособления.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что он оснащен связанным с блоком управления управляемым запорным клапаном, установленным на выходе емкости, предназначенной для хранения под давлением сжиженного газа, а выход клапана связан с полостью камеры.