Устройство для измерения давления Советский патент 1985 года по МПК G01L9/12 

:Л.,I Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления с помощью емкостных датчиков. Известен измерительный преобразо ватель для емкостного датчика, содержащий два конденсатора, подключе ных через диодные ключевые элементы к генератору .переменного напряжения ij . Устройство имеет низкую точность преобразования, обусловленную нестабильностью элементов зарядноразрядной цепи и существенным влиянием паразитных емкостей l-J . . Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее емкостный . датчик давления с двумя электрическ мн выводами, источник опорного напряжения, подключенный к входу тене ратора импульсов выход которого че рез опорньй конденсатор соединен с первьм входом первого операционного усилителя с емкостной обратной связью и первьм электрическим выводом емкостного датчика давлени}, причем второй вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной zj . Целью изобретения является повышение точности измерения. Цель достигается тем, что в устройство введены масштабный преобразователь,, первый и второй двухпозиционные переключатели, переходный конденсатор и второй операционHbDi усилитель с емкостной обратной связью,, при этом вход масштабного преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход - с первым контактом первого двухпозиционного переключателя, В л1ход которого подключен к второму электрическому выводу емкостного датчика давления, а второй контакт первого двухпозиционног переключателя соединен с выходом второго операционного усилителя; выход первого операционного усилите ля соединен через переходный конден сатор с входом второго двухпозицион ного переключателя, первый контакт которого подсоединен к входу второг операционного усилителя, а второй контакт - к общей шине, причем упра ляющие входы первого и второго двух 0 -2 позиционных переключателей соединены с выходом генератора импульсов. На чертеже представлена функциональная схема емкостного преобразователя давления. Преобразователь содержит емкостный датчик 1, источник 2 опорного напряжения постоянного тока, генератор 3 импульсов, опорный конденсатор 4, первьй операционньш усилитель 5 с конденсатором 6 в цепи обратной связи, дискретный интегратор 7, масштабньй преобразователь 8, первый двухпозидионный переключатель 9, Дискретньй интегратор содержит второй операционный усилитель 10 с накопительным конденсатором 11 в-цепи обратной связи, второй двухпозиционньй переключатель 12, переходной конденсатор 13, линии 14 и 15 связи. От источника 2 опорного напряжения задается амплитуда выходных импульров генератора 3, вькод которого соединен с управляющими входами переключателей 9 и 12 и через опорный конденсатор 4 - с входом первого операционного усилителя 5, которьй через емкостный датчик 1 соединен с выходом первого переключателя 9. Входы первого переключателя 9 соединены соответственно с выходом дискретного интегратора 7 и выходом масштабного преобразователя 8, вход которого соединен с источником 2 опорного напряжения. Выходом дискретного интегратора 7 является выход второго операционного усилителя 10j в цепь обратной связи которого включен накопительньй конденсатор 11, Выходы второго переключателя 12 соединены соответственно с входом второго операционного усилителя 10 и общим проводом. Вход переключателя 12 через переходньй конденсатор 13 соединен с выходом первого операционного усилителя 5. Принцип действия преобразователя основан на уравновешивании токов, протекающих через емкостньй датчик 1 и опорный конденсатор 4. Импульсы напряжения амплитудой У о с выхода генератора 3 поступают на опорньй конденсатор 4. Синхронно с этими импульсами срабатывают переключатели 9 и 12, причем при наличии нулевого потенциала на выходе генератора 3 переключатели 8 и 10 занимают положение, показанное на чертеже, а при высоком потенциале - положение противоположное. При этом изменение заряда на опорном конденсаторе определяется его емкостью (Сд) и напряжением UQ т.е. лЭд о о Изменение заряда на емкостном датчи ке 1 определяется его емкостью. (Cjj) и разностью напряжений на входах переключателя 9, т.е. й9х (11вых ио)6), где. Оеых выходное напряжение диск: ретного интегратора 7 К - коэффициент преобразования масштабного преобразователя 8, Изменение зарядо на конденсаторах 1 и 4 приводит к изменению напряжения на выходе усилителя 5 nTIUsT где С - емкость конденсатора 6 в цепи обратной связи усилителя 5J О - статическая погрешность усилителя 5. В момент изменения выходного напряжения генератора 3 до О соответ ствующее .изменение напряжения на вькоде усилителя 5 преобразуется в приращение напряжения на выходе диск ;ретного интегратора 7. Происходит I это следующим образом. При подключе;НИИ переходного конденсатора 13 че:рез второй переключатель 12 к входу iоперационного усилителя 10 происхо|дящее при этом изменение напряжения I на выходе усилителя 5 приводит к изменению напряжения на переходном конденсаторе 13, что, в свою очередь, приводит к приращению заряда на накопительном конденсаторе 11. Изменение напряжения на выходе дискретного интегратора 7 происходит: до тех пор, пока изменение напряжения на выходе усилителя 5 не станет равным значению напряжения на входе опе рационного усилителя 10. Тогда при подключении переходного конденсатора 13 к входу, операционного усилителя 10 передача заряда в накопительньй конденсатор 11 не происходили, следовательно, напряжение на выходе дискретного интегратора 7 не изменяется. Таким образом, в установившемся режиме вьшолняется соотношение

«

--, И)

оу

° + с .0

° б °ё5-)

6ЫХ - коэффициент усиления операционного усилителя 10. Выражение --- определяет циал входа операционного усилите 10. Знак минус в этом выражении еделяется инвертирующей схемой чения операционного усилителя Id С учетом значений iQQ и uQy енство (1) преобразуется к виду Uo-CaUUetirl oiex Uebu C(U81 да ) C(US Сх ри вьтолнении условия С, рое обеспечивается большим знаем KOU, статическое уравнение бразования устройства имеет вид .(-Ш ироко используемый датчик давлемембранного типа с изменяемым действием измеряемого давления азором между электродами имеет нение преобразования вида 5 - площадь перекрытия электродов датчика; 6 - диэлектрическая проницаемость среды между электродами; . . JQ - начальный зазор между электродами;8к - перемещение мембраны под действием давленияJ Kg - коэффициент, определяемый конструкцией датчика. учетом уравнения преобразоваатчика зависимость выходного жения устройства от измеряемоавления имеет вид Если обеспечить выполнение равенства К Со- , то lJoCo- -P;i Часто опорный конденсатор 4 выполняют в одной конструкции с датчиком 1 таким образом, что С В этом случае и,, Как-видно из уравнений (5) и (6) выходное напряжение преобразователя прямо пропорционально измеряемому давлению и не зависит от параметров усилителя 5 и дискретного интегратора 7. Соединение первого входа первого переключателя 9 через масштабный преобразователь 8 с источником 2,опорного напряжения позволяет скомпенсировать составляющую выходного напряжения, соответствующую начальному значению емкости датчика 1. Это приводит к расширению диапазона изменения выходного напряже НИН и, следовательно, к повышению точности измерения. Статическая погрешность преобразования, определяемая выражением С (1+8) (Cj(KQu) уменьшается с уве личением коэффициентов передачи усилителя 5 и операционного усилите ля 10. В данном устройстве коэффициент усиления операционного усилителя 10 для статических измерений берется на постоянном токе посколь ку в установившемся режиме напряжение на входе и выходе операционного усилителя .10 не изменяется. Так как С увеличением частоты изменения вхо ного сигнала уменьшается, то в предлагаемом устройстве этот коэффициент принимает максимальное значение, а статическая погрешность минимальна. В аналогичных устройствах, например, в известном усилители находящиеся в цепи прямого преоб разования, работают в режиме усиления переменного напряжения высокой относительно изменения входного давления несущей частоты и, следова тельно, имеют меньший коэффициент усиления при прочих равных условиях 1 0 Это определяет большую статическую погрешность в известном устройстве по сравнению с предлагаемым. К статической погрешности относится и погрешность из-за влияния емкости линии связи, значение которой может на несколько порядков превышать емкость датчика 1. С учетом емкости линии 14 связи (Сд) выражение Для етатической погрешности имеет вид ,,Г . .JКс-.С . I где Кц - коэффициент передачи усилителя 5 без обратной связи. Выражение для погрешности из-за влияния емкости линии 14 может быть получено из равенства (7) в виде (.Koy). () Таким образом, погрешность из-за влияния.емкости линии 14 связи в предлагаемом устройстве определяется произведением коэффициентов передачи усилителей, находящихся в прямой це„„ преобразования. Причем К, 4j определяется на частоте следования импульсов генератора 2, а К... берется на оу постоянном токе в случае статических измерений. Аналогичная погрешность для известного устройства определяется только коэффициентом передачи усилителя переменного напряжения и будет существенно больше, чем в предлагаемом устройстве. Простое увеличение каскадов усиления (например, последовательное включение двух и более операционных усилителей) существенного выигрыша не дает, так как подобный усилитель будет неустойчив. для повьш1ения устойчивости необходимо введение частотной коррекции, которая приводит к уменьшению коэффициента усиления. Влияние емкости линии 15 связи, подключенной к второму выводу емкостного датчика 1 будет незначительно, что обеспечивается малым выходным сопротивлением дискретного интегратора 7 и переключателя 9.. При этом постоянная времени заряда ем.кости линии 15 связи будет существенно меньше периода следования импульсов с выхода генератора 3. Сле7., дйвательно, изменение заряда на емкостном датчике практически не зависит от емкости линии 15 связи, Влияние этой емкости в предлагаемом устройстве имеет.один порядок с известным, Таким образом, в предлагаемом уст ройстве обеспечивается высокая точ108ность измерения за счет расширения диапазона изменения выходного напряжения и уменьшения влияния параметров прямой цепи преобразования и емкости линии связи. Это позволяет производить дистанционные измерения давления при значительном удалении емкостного датчика, имеющего малое значение рабочей емкости.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, содержап1ее емкостный дат чик давления- с двумя электрическими вьшодами, источник опорного напряжения, подключенный к входу генератора импульсов-, выход которого через опорный конденсатор соединен с первым входом первого операционного усилителя с емкостной обратной связью и первым электрическим выводом емкостного датчика давления, причем второй вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения., в него введены масштабный преобразователь, первый и второй-двухпозиционные переключатели, переходный конденсатор и второй операционный усилитель с емкостной обратной связью, при этом вход масштабного преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход - с первым контактом первого двухпозиционного перекл10чателя, выход которого подключен к второму электрическому выводу емкостного датчика давления, а второй контакт первого двухпозиционного переключателя соединен с вькодом второго one :- . рационного усилителя, выход первого (Л операционного усилителя соединен через переходный конденсатор с входом второго двухпозиционного переключателя, первый контакт которого подсоединен к входу второго операционного усилителя, а второй контакт - к общей шине., причем управляющие входы первого и второго 4 двухпозиционных переключателей соN(ik единены с выходом генератора импульсов.