Устройство для измерения давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред в широком диапазоне температур.

Известно устройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус, мембрану, соединенную со стержневым упругим элементом, на противоположных плоских гранях которого сформированы первая и вторая мостовые измерительные цепи, причем каждая цепь содержит по одному терморезистору в форме меандра, при этом входы мостовых цепей подключены к источнику питания, а выходы - к входам идентичных усилителей, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная неполной температурной компенсацией, особенно в широком температурном диапазоне. Это связано с нелинейной температурной зависимостью терморезисторов, в результате чего температурную погрешность удается компенсировать на определенном узком участке, в то время как на других участках, наоборот,

1

4 4. СЛ СО СО

происходит иногда увеличение температурной погрешности. Кроме того, недостаточная точность измерения обусловлена также требованием формирования терморезистора из материала, отличающегося от материалов тензорезисторов и контактных площадок.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик давления, содержащий корпус с закреп- ленной в нем мембраной, на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста, причем тензорезисторы одного моста расположены попарно симметрично с тензорезисторами другого моста относительно центра мембраны, температурные коэффициенты сопротивления и тензочувствительности тензорезисторов одного моста на порядок больше соответствующих коэффициентов тензорезисторов другого моста, коэффициенты тензочувствительности резисторов обоих мостов имеют один и тот же порядок.

Недостатком известного датчика явля- ется то, что в широком температурном диапазоне функции изменения выходных сигналов от температуры обоих мостов имеют нелинейный характер и обычным сложением или вычитанием этих двух сигналов точность коррекции температурной погрешности не обеспечивается. Кроме того, формирование топологии из двух тензоматериалов приводит к различной временной стабильности тензорезисторов одного моста по сравнению с тензорезисторами другого из-за неодинаковой структуры тензорезисторов, в результате чего точность измерения снижается,

Цель изобретения - повышение точно- сти измерения за счет уменьшения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора, соединенные в первую мостовую измерительную схему, а также включающее первый, второй, третий и четвертый резисторы, соединенные во вторую мостовую схему, причем первый и второй из них сформированы на мембране и включены в противоположные плечи второй мостовой схемы, источник пи- тания, регистрирующий прибор, первый и второй усилители, сумматор, выход которого соединен с регистрирующим прибором, при этом выход первой мостовой измерительной схемы соединен с входом первого

усилителя, соединенного своим выходом с первым входом сумматора, выход второй мостовой схемы подключен к входу второго усилителя, а вход - к источнику питания, введены блок компараторов, первый и второй управляемые делители и регулятор напряжения, при этом первый и второй резисторы второй мостовой схемы выполнены из того же материала, что и контактные площадки, в виде терморезисторов в форме меандров, длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а короткие - соответственно одни по окружности радиусом г мембраны, а другие по окружности радиусом 0,6г, длинные стороны меандра второго резистора расположены по окружностям мембраны, а короткие- по радиусам мембраны, при этом выход второго усилителя подключен к входу блока компараторов, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго управляемых делителей, выход первого из которых подключен к второму входу сумматора, а выход второго - к первому входу регулятора напряжения, второй вход которого подсоединен к источнику питания, а выход - к входу первой мостовой измерительной схемы.

На фиг. 1 показаны конструкция датчика давления и размещение тензорезисторов и терморезисторов на мембране (топология); на фиг.2 - структурная схема устройства.

Устройство включает датчик 1 давления (фиг.1) и измерительный блок 2 (фиг.2). Датчик давления содержит мембрану 3, выполненную за одно целое с опорным основанием 4. На мембране сформированы мостовая измерительная цепь из тензорезисторов 5 - 8 и два терморезистора 9 и 10. Терморезисторы выполнены в форме меандров и расположены между окружностями с радиусами г и 0,6г, причем длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а длинные стороны меандра второго резистора - по окружностям мембраны. Терморезисторы 9 и 10 включены в противоположные плечи дополнительной мостовой схемы, два других плеча которой образованы резисторами 16 и 17, расположенными в измерительном блоке. Контактные площадки 11 служат для подключения измерительного моста и терморезисторов и к измерительному блоку. Измерительная схема защищена от влияния окружностей среды корпусом 12. К входной диагонали мостовой измерительной цепи через регулирующий элемент 22 подводится напряжение Улит источника питания, К входной диагонали дополнительной мостовой схемы также поводится напряжение 11питисточника питания. Выход мостовой измерительной цепи из тензорезисторов 5-8 соединен с входом усилителя 13. Выход усилителя 13 соединен с входом сумматора 14, выход некоторого подключен к измери- тельному прибору 15. Выход дополнительной мостовой схемы соединен с входом усилителя 18, выход которого подключен к входу блока 19 компараторов, выходы которого соединены с входами управляемых.де- лителей 20 и 21, выход управляемого делителя 20 соединен с входом сумматора 14, а выход управляемого делителя 21 - с регулирующим элементом 22.

Устройство работает следующим обра- зом.

При подаче измеряемого давления на мембрану 3 последняя прогибается. Тензо- резисторы 5-8 испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовой изме- рительной цепи появляется сигнал, пропор- циональный измеряемому давлению, который усиливается усилителем 13 и через сумматор 14 поступает на измерительный прибор 15.

В общем виде выходной сигнал определяется выражением

UocH kTUn AR(P),(1)

где Un - напряжение питания;

kT - коэффициент тензочувствительно- сти;

A R(P) - относительное изменение сопротивления измерительного моста от давления.

Изменение температурных условий ра- боты датчика вызывает изменение его выходного сигнала, и выражение (1) приобретает следующий вид:

UOCH ktkTUn( A R(P) + A R(t)),(2)

где kt - коэффициент термопреобразования измерительного моста;

A R(t) - относительное изменение сопротивления измерительного моста от температуры.

Изменение температуры вызывает так- же изменение сопротивления терморезисторов 9 и 10, в результате чего на выходе дополнительной мостовой схемы появляется сигнал, пропорциональный изменению температуры на мембране и имеющий в об- щем виде следующий вид:

UKop k tUn- AR (t).(3)

где k t - коэффициент термопреобразования дополнительного моста;

A R (t) - относительное изменение со- противления дополнительного моста от температуры.

Выходной сигнал дополнительной мостовой схемы не зависит от измеряемого давления, поскольку терморезисторы включены в противоположные плечи и размещены на мембране так, что первый терморезистор воспринимает сжимающие деформации от давления, а второй - растягивающие.

Функции изменения выходных сигналов измерительной и дополнительной мостовых схем от температуры имеют нелинейный характер в широком температурном диапазоне, что не позволяет осуществлять коррекцию температурной погрешности с достаточной точностью во всем диапазоне температур простым алгебраическим сложением основного и термозависимого сигналов. Поэтому усиленный усилителем 18 термозависимый сигнал подается на вход блока 19 компараторов, где происходит деление его на отдельные участки, имеющие достаточно линейный характер, в зависимости от интервала изменения температуры с последующим формированием корректирующего термозависимого сигнала в управляемых делителях 20 и 21. Блок компараторов и управляемые делители настраивают так, чтобы величина и наклон каждого участка корректирующего сигнала обеспечивали коррекцию температурной погрешности соответствующего участка основного сигнала.

В управляемом делителе 20 формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации ухода начального уровня основного сигнала от температуры и имеющий вид

UHKop Un 1- AR (t).(4)

В управляемом делителе 21 формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации изменения чувствительности от температуры:

I |Н Un(f.)

U кор k

Корректирующий сигнал с выхода управляемого делителя 20 поступает на второй вход сумматора 14, где алгебраически складывается с выходным сигналом измерительного моста и обеспечивает коррекцию начального уровня выходного сигнала. Корректирующий сигнал с управляемого делителя 21, воздействуя на элемент 22, регулирует напряжение питания мостовой измерительной цепи из тензорезисторов 5-8 так, что чувствительность датчика к измеряемому давлению остается неизменной во всем температурном диапазоне.

Функциональная зависимость выходного сигнала в общем виде с учетом коррекции в каждом интервале температуры приобретает следующий вид:

UBUX UOCH + UHKop + U4Kop - ktkTUn A R(P) +

+ AR(t) + Un(1-AR (t)) +

Un

kt

(P)

(6)

где Увых - выходной сигнал, поступающий на измерительный прибор 15.

Таким образом, выходной сигнал устройства зависит только от измеряемого давления, а изменение температуры, даже в широком диапазоне, практически не влияет на выходную характеристику, причем аддитивная составляющая температурной погрешности компенсируется в сумматоре 14 термозависимым сигналом, снятым с допол- нительной мостовой схемы и преобразованным до необходимой величины усилителем 18, блоком 19 компараторов, управляемым делителем 20, а мультипликативная составляющая - за счет регулирования напряже- ния питания элементом 22, который управляется сигналом, вырабатываемым в блоке 19 компараторов и управляемом делителе 21.

Использование предлагаемого устрой- ства для измерения давления в диапазоне температур от -200 до +300°С позволит повысить точность измерения примерно на порядок за счет уменьшения температурной погрешности.

Формула изобретения Устройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора, соединенные в первую мостовую измерительную схему, а также включающее первый, второй, третий и четвертый резисторы, соединен-

ные во вторую мостовую схему, причем первый и второй из них сформированы на мембране и включены в противоположные плечи второй мостовой схемы, источник питания, регистрирующий прибор, первый и второй усилители, сумматор, выход которого соединен регистрирующим прибором, при этом выход первой мостовой измерительной схемы соединен с входом первого усилителя, соединенного своим выходом с первым входом сумматора, выход второй мостовой схемы подключен к входу второго усилителя, а вход - к источнику питания, о т- личающееся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности в него введены в блок компараторов, первый и второй управляемые делители и регулятор напряжения, при этом первый и второй резисторы второй мостовой схемы выполнены из того же материала, что и контактные площадки, в виде терморезисторов в форме меандров, длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а короткие - соответственно одни по окружности радиусом г мембраны, а другие по окружности радиусом 0,6г, длинные стороны меандра второго резистора расположены по окружностям мембраны, а короткие - по радиусам мембраны, при этом выход второго усилителя подключен к входу блока компараторов, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго управляемых делителей, выход первого из которых подключен к второму входу сумматора, а выход второго - к первому входу регулятора напряжения, второй вход которого подсоединен к источнику питания, а выход - к входу первой мостовой измерительной схемы.

И

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью жидких и газообразных сред в широком диапазоне температур. Устройство для измерения давления включает датчик давления, содержащий корпус, мембрану, на которой сформированы мостовая измерительная цепь из тензо- резисторов и два терморезистора. Компенсация изменений сопротивлений терморезисторов от давления обусловлена тем, что в зоне между окружностями с радиусом г до 0,6г радиально расположенный терморезистор воспринимает сжимающие деформации, а окружной - растягивающие. В управляемом делителе формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации ухода начального уровня основного сигнала от температуры. Корректирующий сигнал с управляемого делителя регулирует напряжение питания первой мостовой измерительной схемы таким образом, что чувствительность датчика к измеряемому давлению остается неизменной во всем температурном диапазоне. 2 ил (Л С

Фиг./