Устройство для измерения давления Советский патент 1983 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к приборостроению, в частностик устройствам измерения давления, и может быть использовано для .непрерывного контроля механических усилий с повышенной точ ностью. Известны датчики давления, в кото рых выходной электрический сигнал с помощью обратного преобразователя преобразуется в механическое усилие компенсирующее входное давление. Бла годаря охвату датчика отрицательной обратной связью через высокостабиль.ный обратный преобразователь исключа ется влияние нест.абильности параметров датчика и элементов измерите.г1Ьной схемы 11 1. Недостатком таких устройств является низкая чувствительность из-за противодействия отрицательной обратной связи, что ограничивает возможность измерения малых давлений. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уст ройство для измерения давления, содержащее датчик давления с упругим элементом из пьезоэлектрической пластины с электродами и наклеенными Тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему с источником питания, выход которой нерез уси литель соединён с входом регистратора, мультивибратор, подключенный к входам управления фазочувствительного выпрямителя и первого ключа, соединенного с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины, фи.пьтры низкой и высокой, частоты Г21. л - J, Недостатком известного устройства является низкая чувствительность дат чика в области малых давлений вследствие незначительных деформаций пьезоэлектрической пластины. Целью изобретения является повыше ние чувствительности и точности изме рения давления за счет введения поло жительной обратной связи и самокалиброаки датчика. Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения давле ния, содержащее датчик -давления с упругим элементом из пьезоэлектрической пластины с электродами и наклеенными Тензорезисторами, включен ными в мостовую измерительную схему с источником питания, выход которой через усилитель соединен с входом регистратора, мультивибратор, подключенный к входам управления фазочувствительного выпрямителя и первого ключа, соединейного с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины, и фильтры низкой и высокой частоты, дополнительно введены второй фазочувствительный выпрямитель, связанный с источником питания, второй управляемый мультивибратором ключ, зашунтированный резисторами и соединенный с первым ключом и выходом второго фазочувствительного выпрямителя, разделительный конденсатор между потенциальн1: 1м элeta родом и первым ключом, зашунтированный емкостью, и избирательный усилитель, причем последовательно соединенные второй фазочувствительный выпрямитель и второй ключ подключены между выходом усилителя, выполненного управляемым, и входом регистратора, связанного также через последовательно соединенные фильтр высокой час- . тоты, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоть с управляющим входом усилителя, а управляющие входы ключей подключены к противофазным выходам мультивибратора. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства для измерения давления. Упругий элемент датчика выполнен из пьезоэлектрической пластины 1, на которой нанесены пленочные тензорезисторы R и R2, образующие с внешними резисторами Р и Р схему изме2 и Р. схему рительного моста 2. Пьезоэлектрическая пластина 1 охвачена электродами 3, из которых один - потенциальный, а другой - заземлен. Мостовая схема 2 от источника k переменного напряжения частотыooll-5 кГц), К выходу мостовой схемы.подключены последовательно соединенный регулируемый усилитель 5 и фазочувствительный выпрямитель 6, управляемый источником 4 переменного напряжения. Выход азочувствительного выпрямителя 6 через добавочный конденсатор С и конденсатор С2 положительной обратной связи соединен с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины 1. К выходу фазочувствительного выпрямиеля 6 через добавочныи резистор Р подключен регистратор 7. Добавочный конденсатор С и резисор RJ зашунтированы ключами 8 и 9 правляющие входы которых подключены 3 ,к противоположным плечам мультивибр тора 10, переключающегося с низкой частотой Я. (20-30 Гц) , К входу регистратора 7 через . фильтр 11 верхних частот подключены последйвательно соединенные избирательный усилитель 12, настроенный н частоту переключения И, и второй фазочувствительный выпрямитель 13, управляемый мультивибратором 10. Вы ход фазочувствительного выпрямителя 13 через фильтр 14 нижних частот со динен с управляющим входом регулиру мого усилителя 5Устройство работает следующим об разом. Под действием д-амления Р- пьезоэлектрическая пластина 1 с нанесенными на нее тензорезисторами R 2 деформируется. Напряжение разбаланса моста 2 частоты ы усиливается ре гулируемым усилителем 5 и выпрямляется фазочувствительным выпрямите лем 6. Пьезоэлектрическая пластина 1 с электродами 3 представляет собо конденсатор С,., который совместно С конденсаторами Сл и С образует элеткрическую цепь обратной связи (емкостный делитель напряжения) . По действием части выпрямленного напряжения, которое поступает на элек роды 3 через емкостной делитель напряжения , возникают дополнительные деформации (обратный пьезоэффект), суммирующиеся с деформация ми от измеряемого давления Р. В ре зультате действия положительной обратной .связи возрастает напряжение небаланса моста 2, что приводит к увеличению чувствительности датчика Напряжение, фиксируемое регистри рующим прибором 7, определяется измеряемым давлением Р, коэффициентом прямого преобразования давления в выходное электрическое напряжение oL коэффициентом передачи цепи положительной обратной связи jb и коэффициентом передачи входной цепи, регис ратора Коэффициент прямого преобразования c ,,,,K3, где К- - коэффициент, учитывающий упругие свойства пьезоэлек рической пластины; Sj крутизна преобразования Р., в деформацию , определяемая 1 геометрическими размерами пластины; крутизна преобразования деформации пьезоэлектрической пластины в приращении сопротивлений тензорезисторов R и 2 чувствительность мостовой измерительной схемы, зависящая от соотношения резисторов R., 2 3 4напряжение питания моста; коэффициент усиления регулируемого усилителя; коэффициент выпрямления фа зочувствительного выпрямителя. Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи 1+Сз/С2+Сз где С, С„, Ст - емкости соответственно конденсаторов , С2 и пьезоэлектрической пластины; К, - коэффициент, учитывающий обратный пьезоэффект пластины; Коэффициент передачи входной цепи регистрирующего прибора ,,- , RO+% где Rp - входное сопротивление реги:ратора;RC - сопротивление добавочного резистора RJ. Добавочные конденсатор С и резистор R поочередно шунтируются ключами 8 и 9 с частотой переключения «JJ мультивибратора 10, которая выбирается в 50-100 раз меньше частоты uj напря-т жения питание моста 2. В результате этого через регулируемый усилитель 5 проходят пакеты переменных напряжений, амплитуды которых определяются соотношением (1) и положениями ключей 8 и 9. При этом напряжение на регистратор 7 поступает соответственно то через резистор Р, то непосредственно с выхода фазочувствительного выпрямителя 6. Когда шунтируется конденсатор С (ключ 9 замкнут), увеличивается напряжение, приложенное к пьезоэлектрической пластине. Соответственно возрастает выходное напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя б, но однов)эеменно уменьшается напряжение, фиксируемое реги,cTj)aTOpoM 7 за счет введения резист |ра R ((рч 8 разомкнут) . Коэффицие ты передачи датчика при этом принимают знамения р, . .C,Cj ,При размыканииключа 9 уменьшается напряжение, приложенное к пьезоэлек рической njlacTHHe 1 , но при этом возрастает напряжение, подаваемое на регистратор 7 за счет замыкания резистора R ключом 8. Соответствен но коэффициенты передачи цепей датчика принимают новые значения К4 ( 1 Соответственно этому регистрируемое напряжение при непрерывной работе ключей 8 и 9 изменяется ,от значения ч, . : ДО значения Т2 . 2 1-o6/l2 Из противофазной работы ключей 8 и 9 следует, что изменения глубины положительной обратной связи в датчи ке автоматически компенсируются изменениями коэффициента передачи вход ной цепи регистратора 7. Если выбрат значения добавочного резистора Rr из условия «5 . где m - коэффициенты выбираемые из соображения устойчивости замкну той схемы, то выполняет ся режим пол ной компенсации, т.е. (7) V, V2 .При изменении любого из параметров датчика (S, 5, S, К, К, U) от кономинального значения изменяется эффициентпреобразования и на входа регистратора 7 наряду с постоянной составляющей V -.2 ,()( р V 2 2(i-ct, /g появляется переменная составляющая напряжения частоты переключения с амплитудой V :1 ((1 2-У2/ 1Л ,. V 2 - 2ft-ci/i,).(1-oi/i,) Переменное напряжение частоты .Зё пропускается фильтром 11 верхних частот, усиливается избирательным усилителем 12 и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 13, управляемым мул&тивибратором 10. Выпрямленное напряжение через фильтр 1 i нижних частот воздействует на управляющий вход регулируемого усилителя 5 в качестве калибрующего напряжения. Процесс калибровки длится до исчезно- . вения пеоеменного напряжения U {без учета статизма системы самокалибровки) . В результате самокалибровки восстанавливается номинальное значение коэффициента преобразования d. Приравнивая (k) и (5), получаем Tz-y . ГгРгТ ,, ° Регистрируемое напряжение (4) или (5) с учетом самокалибровки в соответствии с соотношениями (7) и (10) Т2-1Г1 Подставляя в (11) значения коэффициентов передач из (2) и (З), окончательно получаем .) .. - результирующая чувствительность преобразования давления в электрическое напряжение. Из полученного выражения (12) слеует, что непостоянство крутизны пребразования датчика (S. и 82), измеительного моста (5э), коэффициент KJ) усиления регулируемого усилитея, коэффициент (КА) выпрямления фаочувствитального выпрямителя, напря10жение, (Vo) питания моста не апияют на результат измерения давления, хотя датчик и охвачен положительнойобратной связью. В то же время положительная обратная связь способствует значительному- повышению чувствительности датчика, что позволяет использовать его для измерения малых дав8V8лений. Возрастание при этом.роли дес-, табилизирующего фактора на результат измерения устраняется системой самокалибровки коэффициента усиления регулируемого усилителя, входящего в прямую цепь преобразования давления е электрическое напряжение .

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, содержащее датчик давления е упругим элементом из пьезоэлектрической пластины с электродами и на клеенными тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему систочником питания, выход которой через усили-тель соединен с входом регистратора, мультивибратор, подключенный к входам управления фазочувствительного выпрямителя и первого ключа, соединенного с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины, и фильтры низкой и высокой частоты, отличающееся тем. что, с целью повышения чувствительности и точности измерения давления за счет введения положительной обрат ной связи и самокалибровки датчика, в него дополнительно введены второй фазочувствительный выпрямитель, связанный с источником питания, второй управляемый мультивибратором ключ, зашунтированный резистором и соединенный с первым ключом и выходом второго фазочувствительного выпрямителя, разделительный конденсатор между потенциальным электродом и первым ключом, зашунтированный емкостью, и избирательный усилитель, причем после i довательно соединенные второй фазочувствительный выпрямитель и второй ключ подключены между выходом усилителя, выполненного управляемым, и входом регистратора, связанного также через последовательно соединенные фильтр высокой частоты, избирательный усилитель, фазочувствительный о со о выпрямитель и фильтр низкой частоты с управляющим входом усилителя, а управляющие входы ключей подключены О5 кпротивофазным выходам мультивибраоо тора.