Устройство для измерения давления Советский патент 1991 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к датчикам давления с емкостными преобразователями.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

На фиг.1 представлена конструкция устройства; на фиг.2 - схема вторичного преобразователя устройства.

Устройство для измерения давления состоит из корпуса 1 (фиг.1), мембраны 2, герметично соединенных между собой. На зеркально-симметрично расположенных поверхностях мембраны 2 и корпуса 1 нанесены электропроводящие покрытия 3 и 4. Покрытия 3 образуют конденсатор Сэ, а покрытия 4 - конденсатор Си. В корпусе выполнена консольная гибкая балка 5, к которой прикреплены силочувствительные пьезорезонаторы б и 7. Свободный конец балки штоком 8 жестко прикреплен к мембране 2.

Внутренняя полость корпуса вакууми- рована. Электрические выводы от емкостей Си, Сэ и пьезорезонаторов 6 и 7 подключены к гермовводам 9 Сигнал от пьезорезонато- ра 6 подается на вход генератора 10, а от пьезорезонатора 7 - на вход генератора 11 Выходы генераторов 10 и 11 подключены к входам смесителя 12, выход которого подключен к входу компаратора 13. Общая обработка электрических сигналов производится схемой 14 преобразования, причем Си подключен к входам 2 и 3 схемы 14 преобразования, Сэ - к входам 1 и 2 схемы 14, а выход компаратора 13 - к входу 4 схемы 14.

Общая обработка электрических сигналов производится устройством 14 преобразования (фиг.2). Измеряемый конденсатор датчика с емкостью Си подключен к входам 2 и 3 устройства 14 преобразования,а конденсатор с образцовой емкостью датчика Сэ - к входам 1 и 2 устройства 14 преобразования. Выход компаратора 13 соединен с входом 4 схемы 14 преобразования. Выход устройства 14 преобразования является выходом устройства.

Устройство 14 преобразования представляет собой преобразователь емкости в частоту, который содержит источник 15 опорного напряжения, выход которого соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя 16 и вторым неподвижным контактом второго переключателя 17. Второй неподвижный контакт первого

16и первый неподвижный контакт второго

17переключателей соединены с общей шиной. Подвижный контакт первого переключателя 16 является входом 3 устройства 14

преобразования, подвижный контакт второго переключателя 17 - входом 1 устройства 14 преобразования. Вход усилителя 18заря- да является входом 2 устройства 14 преобразования.

Выход усилителя 18 заряда соединен с последовательно включенными синхронным детектором 19, дискретным интегратором 20, компаратором 21 и вторым входом

0 блока 22 синхронизации. Первый вход блока 2 синхронизации является входом 4 устройства 14 преобразования, а первый выход блока 22 синхронизации соединен с входами управления синхронного детектора 19 и

5 первого переключателя 16. Второй выход блока 22 синхронизации соединен с входом управления второго переключателя 17 и является выходом 5 устройства 14 преобразования.

0Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при Р 0 измерительная мембрана 2 находится в крайнем верхнем положении и в ненапряженном со5 стоянии, балка 5 с резонаторами 6 и 7 также находится в исходном состоянии. На выходе генератора 10 частота равна f20, на выходе генератора 11 - fю, а на выходе смесителя 12fxo fio-f20.

0Схема преобразования 14 реализует

функцию f кд fx -

Сэ

При подаче давления измерительная мембрана 2 прогибается, что приводит к

5 уменьшению зазора «2 между электродами 4 конденсатора Си и к увеличению значения этой емкости. Одновременно шток 8, перемещаясь вниз, изгибает консольную балку 5 на величину, равную прогибу мембраны 2. В

0 пьезорезонаторе 6 возникают усилия растяжения, а в пьезорезонаторе 7 - усилие сжатия. Сигнал с выхода смесителя 12 через компаратор 13 подается на схему 14 преобразования.

5Схема 14 преобразования работает в

режимеуправляемогоделителя частоты.коэффициент деления которого определяется соотношением измеряемой Си и образцовой Сз емкостей.

0На первый вход блока 22 синхронизации подается частота, величина которой пропорциональна измеряемому давлению. Частота коммутации второго переключателя 17 является выходным сигналом устрой5 ства.

В процессе преобразования отношения емкостей в частоту первый переключатель 16 работает в течение всего цикла. При этом за каждый период дискретизации выходное

напряжение интегратора 20 получает приращение UoCMK. Переключатель 17 работает только при превышении выходным напряжением интегратора порогового уровня срабатывания компаратора 21. При этом приращения напряжения интегратора 20 составляют значение Uo (Си - СЭ)К и при Сэ Си имеют отрицательный знак. В установившемся режиме сумма зарядов, полученных интегратором 20 за время цикла преобразования Тц То, и, следовательно, изменение его выходного напряжения примерно равно нулю, т.е.

и0СиП1К-и0СэП2К 0(1)

где пи, П2 - соответственно числа срабатываний за время Тц переключателей 16 и 17 соответственно;

К - коэффициент передачи усилителя заряда и интегратора

к

С19.1

С 18.1 С20.1

Кд 7Г

Количества суммируемых зарядов или количество срабатываний m и П2 можно выразить через частоты срабатываний переключателей 16 и 17

П1 Тц fx Кд,

п2 - Тц f,(2)

1 2

где fx - опорная частота, снимаемая с выхода смесителя первого преобразователя, блока 22 синхронизации;

f - среднее значение частоты срабатывания переключателя 17 за Тц.

С учетом соотношений (2) и равенства (1) можно получить функцию преобразования в следующем виде

f f

Си 2С7

Дискретный характер суммируемых зарядов является причиной приближенного выполнения равенства (1). При этом отличие от нуля суммы приращений выходного напряжения интегратора составляет значение

AU ±и0СиК ±UoC3K,(3)

где знаки ± указывают на случайный характер данного отклонения.

С учетом формулы (3) функция ПЕ4 принимает вид

fx

fx

Си

2 С С4

JL

Тц

СА СЭТ

Э Ц

2СЭ

(4)

4 /1

2СЭ V -тхСиТц -fxTj

Составляющая 1 /Тц в уравнении (4) есть ни что иное как погрешность дискретности,

а составляющая выражает увеличе- ьэ I ц

ние этой погрешности при синхронизации формирования зарядов и приращений выходного напряжения интегратора тактовой частотой. Максимальное значение погрешности дискретизации при Си Сэ составляет

±2/Тц. Физическое проявление второй составляющей погрешности заключается в неравномерности расстановки во времени выходных импульсов.

15

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее герметичную камеру, образованную двумя диэлектрическими элемента- 20 ми, имеющими стенки, являющиеся мембранами, воспринимающими давление, на которых друг против друга нанесены электроду двух емкостных преобразователей, причем электроды первого преобразо- 5 вателя размещены на центральных, а второго - на периферийных частях стенок, при этом электроды емкостных преобразователей подключены к входам вторичного преобразователя, выход которого является

0 выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, оно дополнительно снабжено двумя пьезоэлектрическими преобразователями, а вторичный преобразователь включает в

5 себя два генератора, смеситель, два компаратора, источник опорного напряжения, два переключателя, усилитель заряда, синхронный детектор, дискретный интегратор и блок синхронизации, при этом второй эле0 мент, образующий герметичную камеру, вы- полнен в виде корпуса, в котором закреплены консольная балка с расположенными на ней двумя пьезоэлементами с возможностью их деформации с противопо5 ложными знаками при изгибе балки, причем свободный конец балки посредством штока соединен с центром стенки первого элемента камеры, при этом первый электрод первого емкостного преобразователя подключен к

0 входу первого переключателя, его второй электрод вместе с первым электродом второго преобразователя - к входу усилителя заряда, а второй электрод второго преобразователя подключен к первому вхо5 ДУ второго переключателя, причем к вторым входам переключателей подсоединен источник опорного напряжения, а управляющие входы первого и второго переключателей соединены соответственно с первым и вторым

выходами блока синхронизации, при этом пьезоэлементов соединены с первыми и выход усилителя заряда через синхронный вторыми входами соответственно первого и

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и позволяет повысить чувствительность. Устройство содержит два емкостных преобразователя 3 и4, два пьезоэлектрических преобразовате ля 6 и 7, прикрепленных к консольной балке 5, которая штоком 8 соединена с мембраной 2 При воздействии давления на мембрану 2 сигналы с преобразователей 3 и 4 поступают на вхог, схемы 14 преобразования. Сигналы с пьезоэлектрических преобразователей 6 и 7 подаются на вход генераторов 10 и 11, с выхода которых через смеситель и компаратор они поступают на вход схемы 14 В схеме преобразования посредством двух переклю- ателей, усилителя заряда, синхронного детектора, дискретного интегратора, компаратора и блока синхронизации происходит перемножение разностного сигнала пьезоэлектрических преобразователей и отношения емкостных преобразователей 4 и 3, что обеспечивает повышение чувстви- тольности.2 ил. С/ С о 3 о со

детектор, управляющий вход которого соевторого генераторов, выходы которых через

динен с первым выходом блока синхрониза-смеситель и второй компаратор подключеции, через дискретный интегратор и первый5 ны к второму входу блока синхронизаци,

компаратор подключен к первому входутретий выход которого является выходом

блока синхронизации, при этом электродыустройства.

второго генераторов, выходы которых через