Устройство для измерения давлений Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления со струнными резонаторами, и может быть использовано для измерения давления с высокой точностью в устройствах контроля и управления, работающих в условиях переменных температур.

Известен датчик давления, содержащий корпус, мембрану и три выступа, на которых с помощью прижимных планок и винтов крепятся плоские стальные предварительно натянутые струны. Средний выступ расположен на мембране несимметрично и при воздействии измеряемого давления поворачивается на некоторый угол, в результате чего натяжение одной струны уменьшается, а натяжение другой струны

увеличивается. Под струнами расположены приемочные датчики и датчики-возбудители. Приемочные датчики подключены на вход двух идентичных усилителей, а датчики-возбудители - на выход этих усилителей. С выходов усилителей напряжения с частотами поступают на смеситель и фильтр, на выходе которого получается разностная частота.

Недостатком указанного датчика является высокая температурная погрешность в динамическом температурном режиме от измеряемой среды, вызванная тем, что первый выступ, закрепляющий измерительную струну, расположен над каналом, где проходит среда, а третий выступ, закрепляющий опорную струну - над массивной частью корпуса и, следовательно, прогревается (

N

сл

4 ГО

лаждается) со значительным запаздыванием во времени.

Разница температур на выступах, а следовательно, и на струнах вызывает ложную разницу собственных частот. Таким обра- зом. чем больше скорость изменения температуры измеряемой среды, тем больше погрешность указанного датчика.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является частотный датчик давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным участком и установленными на ней основными и дополнительными стойками с отверстиями, в которых закреплены на одинаковом рассто- янии от центра мембраны измерительная и опорная струны, расположенные между полюсами магнитов.

Недостатком известного датчика явля- етоя низкая точносто измерения при быст- роменяющемся тепловом воздействии измеряемой среды на мембрану, вызванная тем. что конструктивно основные стойки расположены на тонкой мембране, а дополнительные - на массивной утолщенной час- ти и, кроме того, их размеры не одинаковы, что в результате приводит к различному прогреву (охлаждению) струн в отдельные моменты времени. Разница температур струн приводит к разнице собственных час- тот, несмотря на идентичность размеров и материала струн, в результате чего с увеличением измерения температуры на мембране пропорционально уменьшается точность измерения.

Целью изобретения является повышение точности путем уменьшения температурной погрешности,

Поставленная цель достигается тем, что а устройство для измерения давления, со- держащее мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными и дополнительными стойками, в которых закреплены опорная и изме- рптепьная струны, к которым подключены генераторы, смеситель, фильтр и индика- ор, «ведены четыре терморезистора, рас-- положенные на бокоёых пленарных поверхностях стоек и включенные попарно для каждой струны в противоположные пле- чи мостоеой схемы, которая с дополнитель- ным генератором, формирователем временных импульсов и электронным ключом образует термокомпенсационную цепь,

Введение четырех терморезисторов, размещение их на боковых пленарных поверхностях стоек и включение в противоположные плечи мостовой схемы позволяют формировать корректирующий сигнал, функционально зависящий от разницы температур на опорной и измерительной струнах, з включение в мостовую схему дополнительного генератора и формирователя временных импульсов позволяет выделить термозависимый времязадающий сигнал, в результате чего считывание импульсов с основной цепи производится с интервалами, изменяющимися в зависимости от разницы температур на струнах, а следовательно, повысить точность измерения.

Таким образом, Б предлагаемое устройство введены дополнительный генератор, формирователь временных импульсов, электронный ключ и подключенный к выходу фильтра формиросатель импульсов. Индикатор выполнен з виде счетчика. При этом в датчик давления введены четыре терморезистора, которые закреплены на боковых поверхностях стоек напротив места закрепления струн, причем терморезисторы попарно для каждой струны включены в противоположные пгечи мостовой схемы, выходная диагональ которой подключена к дополнительному генератору, Вход кпюча соединен со счетчиков, а управляющий вход ключа подсоединен к выходу формирователя временных импульсов, который подключен к дополнительному генератору

На фиг.1 изображена конструкция датчика давления; на фиг,2 - структурная схема устройства для измерения давления на фиг.З - характер формирования выходного параметра устройства для измерения давления с учетом температурной коррекции.

Устройство для измерения давления содержит изготовленные за одно целое корпус 1 с мембраной 2 и стойками 3 и 4. Между основными стойками 3 жестко закреплена измерительная струна 5, а между дополнительными стойками L - опорная струна 6, пропущенная сквозь отверстия в основных стойках 3, Струны 5 и 6 расположены между полюсами магнитов 7. На боковых планар- ных поверхностях стоек 3 расположены два терморезистора 8, а на поверхностях стоек L4- два терморезистора 9, которые соединены в мостовую схему,

Электронная цепь преобразования включает измерительный генератор 10, опорный генератор 11, смеситель 12, полосовой фильтр 13, формирователь 14 импульсов, электронный ключ 15 и счетчик 16 импульсов. Кроме того, электронная цепь содержит корректирующую цепь, состоящую из дополнительного генератора 17 и формирователя 18 временных импульсов.

Устройство для измерения давления работает следующим образом.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану 2, вызывает поворот основных стоек 3, в результате происходит изменение натяжения измерительной струны 5, закрепленной между стойками и расположенной в магнитном поле, образованном постоянными магнитами 7. Изменение натяжения струны 5 вызывает изменение ее собственной частоты колебаний. Возбуждение и снятие сигнала осуществляются на основе магнитоэлектрического способа возбуждения в автоколебательном режиме. Аналогично работает опорная струна 6, собственная (резонансная) частота которой не изменяется от давления, так как она закреплена в дополнительных стойках 4, которые расположены на недеформируемом участке мембраны 2. Струна 5 возбуждается измерительным генератором 10, и с его выхода собственная частота (Ризм) поступает на первый вход смесителя 12, а струна 6 возбуждается опорным генератором 11 и с его выхода собственная частота (F0n) поступает на второй вход смесителя 12 и далее на полосовой фильтр 13 и формирователь 14 импульсов, где происходит выделение разности частот в виде РИзм - Fon А Ри(Р), где А РИ(Р) - разностная частота, функционально зависимая от изменения давления.

С выхода формирователя 14 импульсов прямоугольные импульсы заданной длительности и частоты ДРи(Р) поступают на первый вход электронного ключа 15. Одновременно в дополнительном генераторе 17 формируется сигнал с частотой f0, который поступает на вход формирователя 18 временных импульсов, который формирует вре- мязадающий интервал длительностью К/тд Тд, где К - постоянный коэффициент формирователя 18.

С выхода формирователя 18 времязада- ющий импульс поступает на второй вход ключа 15, который открывается и пропускает в течение Тд пачку импульсов с частотой ДРи(Р) на счетчик 16. При этом в счетчике 16 записывается число импульсов

1Ч(Р) Тд-ДРи(Р),

которое функционально зависит от изменения входного параметра и регистрируется на индикации.

При изменении температуры измеряемой среды происходят температурные деформации мембраны 2, которые вызывают дополнительные перемещения стоек 3 относительно перемещений от давления, а следовательно, дополнительные изменения натяжения струны 5 и изменение ее собственной частоты. Несмотря на то, что измерительная 5 и опорная 6 струны закреплены на одинаковом расстоянии от центра мембраны и имеют одинаковые размеры, при изменении температуры измеряемой среды, особенно в быстроменяющемся тепловом режиме, происходит различный прогрев мест крепления опорной струны 6 по сравнению с местом крепления измерительной

струны 5. При этом приращение собственной частоты опорной струны при изменяющихся тепловых условиях Р0п ± б F(t ) отличается от приращения собственной частоты измеряемой струны Ризм ± д F(t), где

д F(t ), 5 F(t) - составляющие приращения частоты опорной и измерительной струн, зависимые от изменения температуры на струнах;

t , t - температура на опорной и измерительной струнах соответственно.

В результате в смесителе 12 и далее в полосовом фильтре 13 и формирователе 14 импульсов происходит выделение разности частот в виде

ДРи(Р)±ДРи(О Ризм± 5Р(Г )(f),

где Д FM(t) - составляющая приращения частоты от разницы температур на опорной и измерительной струнах.

С выхода формирователя 14 импульсов прямоугольные импульсы заданной длительности и частотой ДРИ(Р)- A FM(t) поступают на первый вход ключа 15. Одновременно на второй вход ключа 15 с дополнительного генератора 17 через формирователь 18 поступает времязадающий

импульс.

При быстроменяющемся тепловом режиме терморезисторы 8 воспринимают среднеинтегральную температуру на измерительной струне 5, а терморезисторы 9

среднеинтегральную температуру на опор

ной струне 6. Разница температур, воспринимающаяся парами терморезисторов, соединенных в мостовую схему, в которой терморезисторы 9, размещенные на допол50 нительных стойках 4, включены в противоположные плечи моста, а терморезисторы 8, размещенные на основных стойках 3, также включены в противоположные плечи моста этой же мостовой схемы, вызывает изме55 нение сопротивлений терморезисторов мостовой схемы. Таким образом, при подаче питания на вход терморезистивной мостовой схемы с выхода схемы на вход генератора 17 подается управляемый термсзависи ый сигнал, зависящий от разницы температур на опорной и измерительной струнах:

AU(t) AR(t )- AR(t), где A R(t ), A R(t) - разность измерения сопротивлений от температуры на парах терморезисторов 8 и 9, расположенных на стойках 3 м 4.

AU(t) функционально влияет на частоту выхода генератора 17, которая поступает на вход формирователя 18, где формируется времязадающий интервал длительностью

тд ± AT (t) . Л Аv ffl±Af(t)

где А -составляющая изменения частоты от разницы температуры t - t на опорной и измерительной струнах;

AT(t) - изменение времязадающего интервала, функционально зависящее от разности температуры;

К- постоянный коэффициент формирователя 18 временных импульсов.

С выхода формирователя 18 времязадающий интервал поступает на второй вход ключа 15, который открывается и пропускает пачку импульсов с частотой РИ(Р) ± A FM(t) на счетчик 16 с интервалом Тд± AT(t).

В счетчик 16 заносится число импульсовN Тд ± A T(t)H А Ри(Р) ± А Ри(0

ТД А Ри(Р) ± Тд A FM(t) ± A T(t) А РИ(Р)±

± AT(t)-AFn(t),

которое функционально зависит от изменения входного параметра и регистрируется на индикации.

В приведенной зависимости составляющие произведения Д T(t) А Ри(т) - малые величины и они практически не влияют на выходной параметр N. Поэтому, если настроить схему так, что приращение AT(t), которое управляется терморезистивной мостовой схемой, имеет противоположный знак составляющей AFnft) и выполнтъ уело - вне Тд- A Ри(т.) AT(t) -А Ри(Р), будет полностью скомпенсирована температурная погрешность. Таким образом, выходной параметр N в выражении (2), где рассматривается влияние быстроменяющихся тепловых потоков (неравномерный прогрев основных и дополнительных стоек), практически будет равен N(P) выражения (1), где измеряется давление в нормальных тепловых условиях. Таким образом, ложное приращение частоты от разницы температур на опорной и

измерительной струнах компенсируется термозависимым изменением временного интервала индикации в корректирующей цепи.

5На фиг.З показан характер осуществления коррекции выходного параметра в предлагаемом устройстве,

где а - выходной сигнал с измерительного генератора 10;

10 б - выходной сигнал с опорного генератора 11 ;

в - выходной сигнал с полосового фильтра 13;

г-выходной сигнал с формирователя 14

15 импульсов;

д - выходной сигнал с мостовой схемы из терморезисторов 8 и 9;

е - выходной сигнал с дополнительного генератора 17;

20 ж - выходной сигнал с формирователя 18 временных импульсов;

з - выходной сигнал с электронного ключа 15.

Следовательно, на счетчике 16 форми25 руется численное значение давления N f(P) и этот сигнал практически не зависит от изменения температуры.

Предлагаемое устройство характеризуется высокой точностью измерения вследст30 вие практически полного исключения температурной погрешности в быстроменяющихся тепловых режимах при достаточно высоком градиенте изменения температуры.

35 Точность измерения предлагаемого устройства по сравнению с прототипом при изменяющихся тепловых условиях в диапазоне от минус 200 до 150°С с температурным градиентом, не превышающим 200 40 250°С, увеличена в 3 - 4 раза.

Формула изобретения Устройство для измерения давлений, включающее датчик давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным

45 участком и с установленными на ней основными стойками с отверстиями, в которых закреплена измерительная струна, и дополнительными стойками с отверстиями, в которых закреплена опорная струна,

50 идентичная измерительной, причем обе струны расположены между полюсами магнитов, а точки их закрепления расположены на одинаковом расстоянии от центра мембраны в одной диаметральной плоскости, из55 мерительный генератор, к которому подключена измерительная струна датчика, опорный генератор, к которому подключена опорная струна датчика, смеситель, соединенный с выходами генераторов, фильтр, подключенный к смесителю, и индикатор,

отличающееся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения температурной погрешности, в него введены дополнительный генератор, формирователь временных импульсов, электронный ключ и подключенный к выходу фильтра формирователь импульсов, а индикатор выполнен в виде счетчика, при этом в датчик давления введены четыре терморезистора, которые закреплены на боковых поверхностях стоек напротив места закрепления

струн, причем терморезисторы попарно для каждой струны включены в противоположные плечи мостовой схемы, выходная диагональ которой подключена к дополнительному генератору, при этом вход ключа соединен с выходом формирователя импульсов, его выход соединен со счетчиком, а управляющий вход ключа подсоединен к выходу формирователя временных импульсов, который подключен к дополнительному генератору.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к частотным датчикам давления со струнными резонаторами. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения температурной погрешности. Цель достигается за счет того, что датчик содержит мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными и дополнительными стойками, в которых закреплены опорная и измерительная струны, четыре терморезистора, расположенные на боковых планар- ных поверхностях стоек, включенные попарно для каждой струны в противоположные плечи мостовой схемы, которая с дополнительным генератором и формирователем временных импуль - сов образует термокомпенсационную цепь. 3 ил. ч fe

Фиг.1

/а ю

|Ш

tf

иг/

)

FontW)

A A A A .A A .J V V V V V /

&F(P)±uF(t)

П П П П П П .Г

&Fu(P)±&Fn(t)

Td±&T(t)

t

1 П П П П П

AFaPJtuFuft)

Фиг.З

Составитель В. Зиновьев А. ЛежнинаТехред М.Моргентал

&ИЮ

и I I I I I I I1

ж

TgtATft)

n n

Корректор М. Максимишинец