Пьезоэлектрический датчик давления Советский патент 1987 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона работы и уменьшение погрешности измерений.

На чертеже представлена функциональная блок-схема устройства.

Устройство содержит автогенератор 1, два пьезорезонатора 2 и 2 с двувращателя, образованного пьезорезо- натором 2, параметрическим двухполюсником 14 и резистором нагрузки 10, находится на линейном участке характеристики управления. Колебания с основного 3 и дополнительного 5 электродов пьезорезонатора 2 с одинаковой фазой поступают на вторые входы смесителей 15 и 16 соответственно бламя основными 3, 4 и З , 4 электрода- 0годаря установке соответствующего фа- ми и дополнительными электродами 5,зового сдвига на управляемом фазо- 5 и 5 частотный детектор 6, буфер-вращателе 17 (при калибровке устрой- ный усилитель 7, реактивный управляе-ства перед измерениями), управление

мый двухполюсник 8, фильтр 9 низких частот, резисторы 10, JO и 10 , фазовращатели 11 и 11 , сумматоры 12 и 12, амплитудный детектор 13, управляемый параметрический двухполюсник 14, балансные смесители 15 и 16, управляемый фазовращатель 17, широкополосный усилитель 18, коммутатор 19 и измеритель 20 частоты.

Датчик давления содержит корпус с силопередающим элементом, который точечными контактами скреплен с рабочим пьезорезонатором 2,

Устройство работает следующим образом.

При номинальном измеряемом давле15

20

которым осуществляется подачей калибровочного напряжения Uj. Широкополосный усилитель 18 с цепью положительной обратной связи, состоящей из последовательно включенных смесителей 15 и 16, образует замкнутый контур, в котором существуют автоколебания частоты Гд, если выполняется условие баланса амплитуд - коэффициент передачи по контуру, образованному блоками 15, 16 и 18 больше еди- ницы (и баланса фаз), суммарный фазовый сдвиг в данном контуре равен 2/fl. Широкополосный усилитель 18 выполнен неинвертирующим и создает практически постоянную задержку усинии автогенератор 1, в частотно-зада-/ЗО ливаемого сигнала во всем диапазоне

ющую цепь которого включен резонатор 2 своими основными электродами 3 и 4, генерирует колебания с частотой f,. .

С выхода автогенератора 1 колеб ания поступают на частотный детектор 6, а также через буферный усилитель 7 и реактивный двухполюсник 8 на основные электроды 3 и 4 компенсационного пьезорезонатора 2 и возбуждают его на частоте f,.равной частоте воз-40 буждения пьезорезонатора 2. Противофазные колебания с дополнительных электродов 5 и 5 пьезорезонатора 2 поступают ни фазовращатели 11 и И , которые изменяют фазу колебаний на f/2. С выходов фазовращателей 11 и 11 колебания поступают на входы сумматоров 12 и 12, на первые входы которых поступают колебания с выхода

измерения частоты автоколебаний f определяемой условием баланса фаз и равной при номинальном давлении f / is где tjj - время задержки 35 сигнала в усилителе 18.

При отклонении измеряемого давления от номинального, частота Гд автогенератора 1 изменяется на величину -lAf. Знак отклонения частоты f автогенератора 1 относительно номинального значения определяется знаком отклонения измеряемого давления относительно его номинальной величины. При 45 этом, на выходе частотного детектора 6 появляется постоянное или медленно меняющееся управляющее напряжение, которое через фильтр 9 низких частот поступает на управляемый вход реакбуферного усилителя 7, Суммарные ко- 50 тивного двухполюсника 8, обеспечивая лебания с выходов сумматоров 12 и 12 возбуждение пьезорезонатора на 2 на

частоте f, близкой, но не равной его резонансной частоте. Тогда фаза колебаний на первых входах сумматоров 12 и 12 изменится по отношению к колебанию на вторых их входах на величину tiV. Это приводит к изменению амплитуд Напряжений на выходах сумматоров 12 и 12 и появлению управляющепоступают соответственно на первый и второй входы амплитудного детектора 13, на выходе которого формируется управляющее напряжение, поступающее на вход параметричес1(1ого двухполюсника 14,

При номинальном давлении рабочая точка управляемого кварцевого фазовращателя, образованного пьезорезо- натором 2, параметрическим двухполюсником 14 и резистором нагрузки 10, находится на линейном участке характеристики управления. Колебания с основного 3 и дополнительного 5 электродов пьезорезонатора 2 с одинаковой фазой поступают на вторые входы смесителей 15 и 16 соответственно бла

которым осуществляется подачей калибровочного напряжения Uj. Широкополосный усилитель 18 с цепью положительной обратной связи, состоящей из последовательно включенных смесителей 15 и 16, образует замкнутый контур, в котором существуют автоколебания частоты Гд, если выполняется условие баланса амплитуд - коэффициент передачи по контуру, образованному блоками 15, 16 и 18 больше еди- ницы (и баланса фаз), суммарный фазовый сдвиг в данном контуре равен 2/fl. Широкополосный усилитель 18 выполнен неинвертирующим и создает практически постоянную задержку уси40

измерения частоты автоколебаний f определяемой условием баланса фаз и равной при номинальном давлении f / is где tjj - время задержки 35 сигнала в усилителе 18.

40

При отклонении измеряемого давления от номинального, частота Гд автогенератора 1 изменяется на величину -lAf. Знак отклонения частоты f автогенератора 1 относительно номинального значения определяется знаком отклонения измеряемого давления относительно его номинальной величины. При 45 этом, на выходе частотного детектора 6 появляется постоянное или медленно меняющееся управляющее напряжение, которое через фильтр 9 низких частот, поступает на управляемый вход реак50 тивного двухполюсника 8, обеспечивая возбуждение пьезорезонатора на 2 на

55

частоте f, близкой, но не равной его резонансной частоте. Тогда фаза колебаний на первых входах сумматоров 12 и 12 изменится по отношению к колебанию на вторых их входах на величину tiV. Это приводит к изменению амплитуд Напряжений на выходах сумматоров 12 и 12 и появлению управляющего напряжения на выходе амплитудного детектора 13 и соответственно к изме нению частоты колебаний f в замкнутом контуре, состоящем из блоков 15, 16 и 18. Выход автогенератора 1 через коммутатор 19 подключен к измерителю 20 частоты.

Таким образом, при отклонении измеряемого давления от номинального грубый отсчет величины измеряемого давления осуществляется измерителем 20 частоты при подключении его коммутатором 19 к выходу автогенератора 1, а точный - при подключении измерителя 20 частоты к выходу усилителя 18, I

В предлагаемом устройстве величина измеряемого давления не связана с величиной прямолинейного участка амплитудно-частотной характеристики компенсационного резонатора 2, благодаря чему значительно расширяется Диапазон измеряемого давления. Чувствительность же возрастает благодаря применению фазовых методов сравнения сигналов при получении управляющего напряжения на управляемом входе параметрического двухполюсника 14, а так

полюсник, причем рабочий пьезорезоиа тор основными электродами подключен в частотно-задающую цепь автогенератора и одним из них через фазовращатель - к второму входу первого смеси теля и первому входу параметрического двухполюсника, а третьим электродом - к вторым входам параметрического двухполюсника и второго смеси- fO теля, первый выход буферного усилите ля подключен к одному из основных электродов компенсационного пьезоре- зонатора, при этом третьи электроды пьезорезонаторов через резисторы сое- 15 динены с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона работы и уменьшения погрешности измерений, в него дополнительно введены два фа- 20 зовращателя, два сумматора, коммутатор и последовательно соединенные частотньй детектор, фильтр низкой частоты и реактивный двухполюсник, при этом рабочий пьезорезонатор вы- 25 полнен с дополнительным электродом, через резистор подключенным к общей шине, а амплитудный детектор выпол- нен двухтактным с симметричными входами и выходок, подключенным к управже благодаря тому, что частота возбуждения не выходит за пределы поло- 30 ляющему входу параметрического двух- сы пьезорезонатора 2. При этом ис- полюсника, каждый из дополнительных пользуется самый крутой участок фазо- электродов рабочего пьезорезонатора частотной характеристики пьезорезо- подключен к соответствующему входу

амплитудного детектора через пару or последовательно соединенных фазовра- щателя и сумматора, вторые входы сумнатора 2.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий автогенератор, выходами подключенный к буферному усилителю, рабочий и компенсационный трех- электродные пьезорезонаторы, а также соединенные в кольцевую схему два однополосных смесителя и широкополое- вторым входом к входу частотного де- ный усилитель, измеритель, частоты, тектора, при этом первый основной амплитудный детектор, управляемые фа- электрод рабочего пьезорезонатора зовращатель и параметрический двух- /тодключен к общей шине.

маторов подключены к второму выходу буферного усилителя и второму входу реактивного двухполюсника, выходом i

4Q подключенного к второму основному электроду компенсационного пьезоре- зонатора, а выход широкополосного усилителя подключен к измерителю час. тоты через коммутатор, подключенный

Редактор Т. Парфенова

Составитель Т. Новожилова Техред.В.Кадар

Заказ 1621/39Тираж 777

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

полюсник, причем рабочий пьезорезоиа- тор основными электродами подключен в частотно-задающую цепь автогенератора и одним из них через фазовращатель - к второму входу первого смесителя и первому входу параметрического двухполюсника, а третьим электродом - к вторым входам параметрического двухполюсника и второго смеси- теля, первый выход буферного усилителя подключен к одному из основных электродов компенсационного пьезоре- зонатора, при этом третьи электроды пьезорезонаторов через резисторы сое- динены с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона работы и уменьшения погрешности измерений, в него дополнительно введены два фа- зовращателя, два сумматора, коммутатор и последовательно соединенные частотньй детектор, фильтр низкой частоты и реактивный двухполюсник, при этом рабочий пьезорезонатор вы- полнен с дополнительным электродом, через резистор подключенным к общей шине, а амплитудный детектор выпол- нен двухтактным с симметричными входами и выходок, подключенным к управляющему входу параметрического двух- полюсника, каждый из дополнительных электродов рабочего пьезорезонатора подключен к соответствующему входу

вторым входом к входу частотного де- тектора, при этом первый основной электрод рабочего пьезорезонатора /тодключен к общей шине.

маторов подключены к второму выходу буферного усилителя и второму входу реактивного двухполюсника, выходом i

4Q подключенного к второму основному электроду компенсационного пьезоре- зонатора, а выход широкополосного усилителя подключен к измерителю час. тоты через коммутатор, подключенный

Корректор С. Черни

Подписное

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - расширение динамического диапазона и уменьшение погрешности измерений. При отклонении измеряемого давления от номинального грубый отсчет величины измеряемого давления осуществляется измерителем 20 частоты при подключении его коммутатором 19 к выходу автогенератора 1, а точный - при подключении измерителя 20 частоты к выходу усилителя 18. Величина измеряемого давления не связана с величиной прямолинейного участка амплитудно-частотной характеристики компенсационного пьезорезонатора 2, что расширяет диапазон измеряемого давления, чувствительность же возрастает благодаря применению фазовых методов сравнения сигналов при получении управляющего напряжения на управляемом входе параметрического двухполюсника 14, а также в связи с тем, что частота возбуждения не выходит за пределы полосы пьезорезонатора 2. 1 ил. (Л