ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений постоянных и переменных давлений жидкостей и газов в широком диапазоне рабочих температур.

Известен тензометрический измеритель давления с активной схемой термокомпенсации, обеспечивающей изменение питающего напряжения в соответствии с температурной зависимостью чувствительности тензорезистора [1]
Наиболее близким по количеству общих признаков и технической сущности к заявляемому представляется тензометрический измеритель давления, включающий датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, терморезистор, один конец которого заземлен, и измерительный блок, содержащий источник питания со стабилизатором напряжения, первый сумматор, первый и второй дифференциальные усилители и выходной регистрирующий прибор, при этом выход стабилизатора напряжения подключен к входу мостовой измерительной схемы [2]
Данный способ принят за прототип. Недостатком прототипа является недостаточная точность измерений давления среды из-за неполной компенсации квадратичной составляющей температурной погрешности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в полной компенсации температурной погрешности измерителя, включая квадратичную составляющую температурной погрешности.

Данный технический результат достигается тем, что в известном тензометрическом измерителе давления, содержащем корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, терморезистор, один конец которого заземлен, и измерительный блок, содержащий источник питания со стабилизатором напряжения, первый сумматор, первый и второй дифференциальные усилители и выходной регистрирующий прибор, в измерительный блок введены второй сумматор, третий дифференциальный усилитель, умножитель, источник опорных напряжений, звено обратной связи, выходной транзистор и выходной резистор, при этом терморезистор соединен с выходом стабилизатора напряжения и подключен к первому входу первого дифференциального усилителя, к второму входу которого подсоединен вход источника опорных напряжений, а второй его выход соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, подключенного вторым своим входом к выходу умножителя, соединенного первым входом с первым входом первого дифференциального усилителя, а вторым своим входом с выходным резистором, который заземлен, причем положительная клемма источника питания соединена с коллектором выходного транзистора, эмиттер которого через выходной резистор подключен к заземленной отрицательной клемме источника питания, а первый выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, второй выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а третий с выходом звена обратной связи, подключенного входом к эмиттеру выходного транзистора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя, выход которого подключен к базе выходного транзистора, при этом выходной регистрирующий прибор подключен параллельно выходному резистору.

На чертеже представлена схема тензометрического измерителя давления.

Измеритель содержит корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора (на чертеже не показаны), соединенные в мостовую измерительную схему 1, терморезистор 2, источник питания (на чертеже не показан) с положительной клеммой +U и отрицательной -U. Имеется также стабилизатор 3 напряжения, дифференциальные усилители 4,5,6, сумматоры 7,8, блок 9 опорных напряжений, умножитель 10, звено 11 обратной связи, выходной транзистор 12, выходной резистор 13 и выходной прибор 14 в виде вольтметра. Элементы схемы 2,4,5,9,10, обведенные пунктиром, образуют функциональный преобразователь 15. Элементы схемы 1,2,4,11 подключены к стабилизатору 3 напряжения (на чертеже данное подключение показано только для термосопротивления 2 и дифференциального усилителя 6).

Входы дифференциального усилителя 4 подключены к термосопротивлению 2 и выходу блока 9 опорных напряжений. Входы дифференциального усилителя 5 подключены к блоку 9 опорных напряжений и выходу умножителя 10, входы которого соединены с термосопротивлением 2 и выходным резистором 13. Выходы дифференциальных усилителей 4 и 5 подключены к входам сумматоров 7 и 8, к другим входам которых подсоединены выходы мостовой измерительной схемы 1. К сумматору 8 подключен также выход звена 11 обратной связи, вход которой соединен с эмиттером выходного транзистора 21, соединенного базой с выходом дифференциального усилителя 6, и коллектором с положительной клеммой источника питания. Выходы сумматоров 7 и 8 подключены к входам дифференциального усилителя 6. Эмиттер выходного транзистора 12 соединен со вторым входом умножителя 10 и через выходной резистор 13 с отрицательной клеммой источника питания. Выходной прибор 14 подсоединен параллельно выходному резистору 13.

Измеритель работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления Р на мембрану тензорезисторы испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовой измерительной схемы 1 появляется сигнал ΔU_p U_p1-U_p2, равный
Δ<N>U_p=U_p1-U_p2=U₀[a₀+a₁Δt+
+(a₂Δt+a₃)P] (1) здесь U₀ напряжение питания мостовой измерительной схемы,
а₀ коэффициент смещения нуля,
а₁ коэффициент температурного дрейфа нуля;
а₂ коэффициент температурного дрейфа чувствительности;
Δt t t₀ отклонение температуры от значения t t₀, выбранной в качестве точки отсчета; а₃ тензочувствительность мостовой измерительной схемы при t t₀, Р действующее давление.

Значение выходного напряжения U_в на выходном резисторе 13 выходного транзистора 12 можно представить следующим образом
U_в=K(ΔU_p+U_t1-U_t2), (2) здесь К коэффициент усиления, определяемый звеном 11 обратной связи.

Для полной компенсации температурной погрешности и смещения нуля функциональный преобразователь 15 из входных воздействий U₀, U_в должен синтезировать выходные напряжения U_t1иU_t2 вида
U_t1= U₀(a₀+a₁Δt);U_t2=β <N>U_в (3) Здесь β масштабный коэффициент с учетом (3) из (1), (2) получаем
U_в=KU₀[a₂Δt+a₃)P-β U_в (4) или
U_B(1+U_oKβ) U_oKa1 + ΔtP
(5) Из уравнения (5) следует, что для получения инвариантного к температурному воздействию выходного сигнала устройства U_в достаточно, чтобы выполнялось условие
β (6) Обеспечить такой масштаб преобразования позволяет функциональный преобразователь 15, выполненный, например, в виде, представленном в измерителе.

Изменение температуры вызывает изменение сопротивления преобразователя температуры 2. При этом на выходах дифференциальных усилителей 4 и 5 функционального преобразователя 15 появляются выходные сигналы U_t1 и U_t2, которые, складываясь в необходимой пропорции с выходными сигналами U_p1 и U_p2 мостовой измерительной схемы 1, позволяют реализовать инвариантный к температуре алгоритм работы измерителя давления, регистрируемого выходным прибором 14.

Таким образом, в измерителе не появляется дополнительная квадратичная составляющая температурной зависимости чувствительности, а происходит полная компенсация всех составляющих температурной погрешности тензорезисторной мостовой схемы. При этом питающая диагональ мостовой измерительной схемы свободна для организации подавления нелинейности выходной характеристики устройства.

Использование : в измерительной технике , в тензометрических измерителях давления , при измерении постоянных и переменных давлений в широком диапазоне рабочих температур . Сущность : повышение точности измерений давления достигается наличием в составе тензометрического измерителя функционального преобразователя, позволяющего полностью компенсировать температурную погрешность при измерении давления. Функциональный преобразователь 15, содержащий (помимо термозависимого элемента и терморезистора 2) два дифференциальных усилителя 4, 5, блок 9 опорных напряжений и умножитель 10 вырабатывают два температурозависимых напряжения, которые, суммируясь в сумматорах 7, 8 с двумя выходными напряжениями мостовой измерительной схемы 1 , позволяют получить выходной сигнал , независимый от температуры , и зарегистрировать его с помощью выходного прибора 14 . 1 ил.

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, включающий датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, и терморезистор, один конец которого заземлен, и измерительный блок, содержащий источник питания со стабилизатором напряжения, первый сумматор, первый и второй дифференциальные усилители и выходной регистрирующий прибор, при этом выход стабилизатора напряжения подключен к входу мостовой измерительной схемы, отличающийся тем, что в измерительный блок введены второй сумматор, третий дифференциальный усилитель, умножитель, источник опорных напряжений, звено обратной связи, выходной транзистор и выходной резистор, при этом терморезистор соединен с выходом стабилизатора напряжения и подключен к первому входу первого дифференциального усилителя, к второму входу которого подсоединен первый выход источника опорных напряжений, а второй его выход соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, подключенного вторым входом к выходу умножителя, соединенного первым входом с первым входом первого дифференциального усилителя, а вторым входом с выходным резистором, который заземлен, причем положительная клемма источника питания соединена с коллектором выходного транзистора, эмиттер которого через выходной резистор подключен к заземленной отрицательной клемме источника питания, а первый выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, второй выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а третий с выходом звена обратной связи, подключенного входом к эмиттеру выходного транзистора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя, выход которого подключен к базе выходного транзистора, при этом выходной регистрирующий прибор подключен параллельно выходному резистору.