Pressure Measurement Module in a Next-Generation Multifunctional Field Calibrator

Abstract

The purpose of this thesis was to redesign the pressure measurement module for the next generation field calibrator. The redesign process aims to address technical limitations of the previous module design and implement new advanced features. The redesign revolves around the implementation of a new microcontroller unit with enhanced performance, which allowed for software development with a higher-level programming language and increased functionality of the module. Most significant upgrades were the implementation of temperature compensation calculations requiring floating point arithmetic in the module instead of the main processor of the calibrator. This feature enables the temperature compensated measurement results to be forwarded in SI-units, increasing the autonomy of the module. This approach is better suited for the architecture of the next generation field calibrator. The redesign process includes the redesign of the module’s electronics, development of the module’s embedded software and functionality testing with the manufactured prototype module. The analog measurement electronics of the previous module was reused in the redesigned module. To support the redesign process of the module electronics, an analysis of the factors affecting the accuracy of the transducer and the measurement electronics was conducted. The functionality of the previous pressure measurement module was reimplemented in the new microcontroller environment. The functionality of the redesigned module was tested in two environments, with a development board and in the field calibrator. With the development board the correct implementation of the temperature compensation calculation was verified. In the field calibrator, compatibility with the systems involved was also verified. In addition to the existing functionality, an orientation detection feature was implemented. This feature reduces the error caused by gravity affecting oil-filled pressure transducers. Gravity creates a small hydrostatic pressure in the transducer, which causes a measurement error when the orientation of the transducer changes during the measurement. With this new feature, the measurement error is reduced by indicating the orientation change during the measurement with a light. In the future an automatic compensation algorithm for the hydrostatic pressure could be developed, eliminating the need for an indicator light.

Tämä diplomityö käsittelee paineenmittausmoduulin uudelleensuunnittelua seuraavan sukupolven kenttäkalibraattoria varten. Työssä ratkaistiin aiemman moduulin teknisiä rajoitteita ja lisättiin uusia toiminnallisuuksia. Keskeinen osa suunnittelua oli moduulin mikro-ohjaimen vaihtaminen suorituskykyisempään, mikä mahdollisti korkeamman tason ohjelmointikielen käytön ja moduulin toiminnallisuuden laajentamisen. Merkittävimpiä parannuksia oli liukulukulaskentaa vaativan lämpötilakompensoinnin siirtäminen moduulin mikro-ohjaimeen, mikä mahdollistaa tarkkojen mittaustulosten välittämisen eteenpäin SI-yksiköissä. Aiemmin lämpötilakompensointi ja muunnokset suoritettiin kalibraattorin sisäisessä suorituskykyisemmässä prosessorissa. Uusi lähestymistapa lisää moduulin autonomiaa, joka sopii paremmin seuraavan sukupolven kenttäkalibraattorin arkkitehtuuriin. Työssä suunniteltiin uuden paineenmittausmoduulin elektroniikka, sulautettu ohjelma sekä suoritettiin valmistetulla moduulin prototyypillä toiminnallista testausta. Vanhan moduulin analogiaelektroniikkakytkentä uusiokäytettiin uudessa moduulissa. Suunnittelun tueksi työssä suoritettiin tarkkuusanalyysi, jossa selvitettiin paineanturin ja analogiakytkennän mittatarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä. Analyysi toimi tukena uuden moduulin elektroniikan suunnittelussa. Vanhan moduulin ohjelmallinen toiminnallisuus toteutettiin uudelleen uudessa mikro-ohjain ympäristössä. Moduulin toiminnallisuus myös testattiin kahdessa ympäristössä: kalibraattorissa ja kehityslevyllä. Kehityslevyllä varmennettiin lämpötilakompensointilaskennan oikeellisuus, kun taas kalibraattorissa varmistettiin moduulin yhteensopivuus olemassa olevien järjestelmien kanssa. Vanhan toiminnallisuuden lisäksi moduuliin kehitettiin asennontunnistusominaisuus, joka vähentää painovoiman aiheuttamaa mittausvirhettä öljytäytteisten paineantureiden käytössä. Painovoima aiheuttaa anturissa hydrostaattisen paineen, joka synnyttää mittavirheen anturin asentomuutosten yhteydessä. Uuden ominaisuuden avulla virhettä voidaan pienentää, kun mittauksen aikainen asentomuutos voidaan havaita moduuliin toteutetulla merkkivalolla. Tulevaisuudessa tulisi vielä kehittää moduuliin kompensointilaskenta, jolla hydrostaattinen paine voidaan kompensoida suoraan kiihtyvyysanturin mittalukemien perusteella, jolloin erillistä merkkivaloa ei tarvittaisi.