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

Фиг /

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления.

Известно устройство для измерения давления, содержащее корпус с мембраной, между мембраной и корпусом установлены пьезоэлектрические элементы с предварительным напряжением.

Однако это устройство имеет невысокую точность измерения.

Известно устройство, содержащее датчик, выполненный в виде рабочего и компенсирующего стабилитронов, блок измерения давления и температуры, компаратор и индикатор.

Однако указанное устройство имеет невысокую точность, так как подбор стабилитронов с одинаковыми характеристиками практически невозможен, кроме того, на погрешность измерения оказывает влияние измерительный ток, который вызывает на грев рабочего стабилитрона.

Наиболее близко к предлагаемому является устройство, содержащее датчик, выполненный в виде полого электропроводного корпуса с мембраной и установленными в нем пьезоэлементом, токосъемником и узлом поджатия пьезозлемента, и измерительный блок, причем пьезоэлемент выполнен плоским с двумя токопроводящими электродами, один из которых имеет механическую и электрическую связь с мембраной, а другой - с токосъемником.

Известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности и низкую надежность. В устройстве предусмотрены пять электрических выводов и, соответственно, пять электрических соединений с чувствительными элементами датчика. Это понижает надежность датчика при эксплуатации и- усложняет его конструкцию. Устройство имеет малую чувствительность при измерении температуры, так как в нем использована термопара. Необходимость изготовления на пьезоэлементе специального влагочувствительного слоя ухудшает его частотные свойства при измерении давления.

Цель изобретения - повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства.

Цель достигается за счет того, что в устройстве, содержащем датчик, выполненный в виде полого электропроводного корпуса с мембраной и установленными в нем пьезоэлементом, токосъемником и узлом поджатия пьезоэлемента, и измерительный блок, причем пьезоэлемент выполнен плоским с двумя токопроводящими электродами, один из которых имеет механическую и электрическую связь с мембраной, а другой - с токосъемником, пьезоэле- мент выполнен из пористой пьезокерамики, а в измерительный блок введены первый,

второй и третий нормирующие усилители, выпрямитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой индикатор и таймер, первый вход которого соединен с управляющим входом первого электронного коммутатора, второй выход подключен к управляющему входу второго электронного коммутатора, третий выход соединен с установочным входом АЦП, информационный вход которого через второй злектрон5 ный коммутатор подключен к выходам первого, второго и третьего нормирующих усилителей, а выход соединен с входом цифрового индикатора, причем пьезоэлемент через первый электронный коммутатор под0 ключей к входу первого нормирующего усилителя, выходу генератора переменного тока, к плечу мостовой измерительной схемы, выход которой соединен с входом второго нормирующего усилителя, при этом

5 выход генератора переменного тока подключен через последовательно соединенные усилитель переменного тока и выпрямитель к входу третьего нормирующего усилителя

0На фиг. 1 приведена конструкция датчика; на фиг. 2 - структурная схема устройства для измерения давления

Датчик содержит корпус 1 с мембраной 2, пьезоэлемент 3 с первым 4 и вторым 5

5 токопроводящими электродами, токосъемник 6, узел 7 поджатия пьезозлемента, хвосто- вик8, изоляционную трубку 9 и электрический вывод 10.

Эквивалентная схема пьезоэлемента

0 представлена в виде статического звена - емкость 11 и сопротивление 12, и динамометрического звена - источник 13 пьезо- ЭДС и сопротивление 14.

Измерительный блок 15 содержит пер5 вый электронный коммутатор 16 с ключевыми элементами 17-19, второй электронный коммутатор 20 с ключевыми элементами 21- 23, первый 24, второй 25 и третий 26 нормирующие усилители, мостовую измерительную

0 схему 27 с резисторами 28-30 и источник 31 питающего напряжения 31. генератор32 переменного тока АЦП 36 и цифровой индикатор 37,

Корпус 1 выполнен из электропровод5 ного материала и имеет внутреннюю резьбу для установки узла крепления и поджатия пьезоэлемента 7, который выполнен в виде полой резьбовой втулки из электроизоляционного материала и имеет три сопряженных внутренних отверстия с разными диаметрами. В одном из них выполнена резьба, в которую вворачивается хвостовик 8. Токосъемник 6 выполнен в виде двухступенчатого цилиндра из электропроводного материала. Пьезоэлемент 3 выполнен в ви- де плоского диска из пористой пьезокера- мики, на поверхности которой нанесены серебряные токопроводящие электроды 4 и 5.

Входы ключевых элементов 17-19 пер- вого коммутатора 16 соединены между собой и подключены к электрическому выводу 10. Выход ключевого элемента 17 первого коммутатора 16 соединен с одним из выходов генератора 32 переменного напряже- ния и с одним из входов усилителя 33 переменного тока, другой вход которого подключен к точке с нулевым потенциалом, с которой соединены корпус 1, другой выход генератора 32 переменного напряжения и один из выводов резистора 30 мостовой измерительной схемы 27. Выход ключевого элемента 18 первого коммутатора 16 подключен к одному из входов первого нормирующего усилителя 24. другой вход которого соединен с точкой нулевого потенциала, а выход подключен через ключевой элемент 21 второго коммутатора 20 к информационному входу АЦП 36. Выход ключевого элемента 19 соединен с одним их выводов резистора 28 мостово измерительной схемы 27 и с одним из входов второго нормирующего усилителя 25, другой вход которого подключен к другому выводу резистора 30 и одному из выводов резистора 29 мостовой измерительной схемы 27. Другой вывод резистора 29 соединен с клеммой источника 31 питания и другим выводом резистора 28 мостовой измерительной схэмы 27.

Выход усилителя 33 переменного на- пряжения через последовательно соединенные выпрямитель 34, третий нормирующий усилитель 26 и ключевой элемент 22 второго коммутатора 20 подключен к информационному входу АЦП 36, выход которого соеди- нен с входом цифрового индикатора 37. Выход второго нормирующего усилителя- 25 через ключевой элемент 23 второго коммутатора 20 подключен к информационному входу АЦП 36, установочный вход которого соединен с третьим выходом таймера 35. первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго коммутаторов.

Устройство работает следующим обра- зом.

Пьезоэлемент 3 обладьет как пьезоэлектрическими свойствами, так и сорбцион- ными при выполнении его из пористой пьезокерамики. При сорбции паров в пьезоэлементе 3 его диэлектрические СПОЙСГРЙ меняются, а именно меняется емкость 1 I Кроме того, меняется актнпнее соприi ии;и;- ние пьезоэлемента 3. Зависимость диэлекл рической проницаемости от влажности используется для измерения влажности, а зависимость активного со-противления - измерения температуры.

При измерении давления мембрана 2 прогибается и вызывает появление заряда на пьезоэлементе 3. Таймер 35 устанавливает в исходное состояние АЦП 36 и замыкает ключевой элемент 18 первого коммутатора 20. Та ким об разом, пьезсэлемент подключается к входу первого усилителя 24, который выполняет функцию усилителя заряда. Выходной сигнал с усилителя 24 поступает через ключевой элемент 21 второго коммутатора 20 на вход АЦП 36. который преобразует его в цифровой код. и информация о давлении отображается на цифровом индикаторе 37.

При измерении относительной влажности таймер 35 устанавливает в исходное положение АЦП 36, замыкает ключевой элемент 17 и ключевой элемент 22. Остальные ключевые элементы остаются в разомкнутом положении. В результате на Пьезоэлемент 3 с генератора 32 подается переменное напряжение. Вследствие измерения диэлектрических свойств пьезокерамики при воздействии влажности падение напряжения на пьезоэлементе меняется. Этот сигнал усиливается усилителем 33, преобразуется в постоянное напряжение выпрямителем 34 и через нормирующий усилитель 26 и ключевой элемент 22 подается на вход АЦП 36. Информация о влажности отображается на цифровом индикаторе 37.

При измерении температуры таймер устанавливает в исходное состояние АЦП 36, замыкает ключевой элемент 19 первого коммутатора 16 и ключевой элемент 23 второго коммутатора 20 и, соответственно, устанавливает в разомкнутое состояние остальные ключевые элементы. При этом в плечо мостовой измерительной схемы включается пьезоэлемент3. При измецениитемпера- туры активное сопротивление элемента 3 меняется, возникает сигнал в мостовой измерительной схеме 27, который усиливается, нормируется и подается на вход АЦП 36, затем информация о температуре отображается на цифровом индикаторе 37.

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее датчик, выполненный в виде полого электропроводного корпуса с мембраной и установленными в нем пьезоэле- ментом, токосъемником и узлом поджатия пьезоэлемёнта, и измерительный блок, причем пьезоэлемент выполнен плоским с двумя токопроводящими электродами, один из которых имеет механическую и электриче - скую связь с мембраной, а другой - с токосъемником, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения надежности, пьезо- элемент выполнен из пористой керамики, а в измерительный блок введены первый и второй электронные коммутаторы, мостовая измерительная схема, первый, второй и третий нормирующие усилители постоянно- го тока, генератор переменного тока, усилитель переменного тока, выпрямитель, аналого-цифровой преобразователь, цифровой индикатор и таймер, первый выход которого соединен с управляющим входом первого,электронного коммутатора, второй

выход подключен к управляющему входу второго электронного коммутатора, третий выход соединен с установочным входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого через второй электронный коммутатор подключен к выходам первого, второго и третьего нормирующих усилителей постоянного тока, а выход соединен с входом цифрового индикатора, причем пьезоэлемент через первый электронный коммутатор подключен к входу первого нормирующего усилителя постоянного тока, к выходу генератора переменного тока и к плечу мостовой измерительной схемы, выход которой соединен с входом второго нормирующего усилителя постоянного тока, а выход генератора переменного тока подключен через последовательно соединенные усилитель переменного тока и выпрямитель к входутретьего нормирующего усилителя постоянного тока.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения одновременного измерения температуры и влажности. Устройство содержит датчик, выполненный в виде корпуса 1 с / 5 мембраной 2, в котором установлен пьезоэ- лемент 3 из пористой пьезокерамики, токосъемник 6, узел 7 поджатия пьезоэлемента. Блок измерения содержит два компаратора, три нормирующих усилителя, мостовую измерительную схему, генератор, усилитель переменного тока, выпрямитель, аналого- цифровой преобразователь, цифровой индикатор и таймер. При измерении давления мембрана 2 деформируется, вызывая появление заряда на пьезоэлементе 3. Влага сорбируется пьезоэлементом 3. вызывая изменения его диэлектрических свойств. В качестве термометрического параметра при измерении температуры используется зависимость активного сопротивления пьезоэлемента 3 от температуры. Блок измерения осуществляет временное разделение каналов измерения и выделение информационных сигналов. 2 ил. Ё Х| сл со 4 СЛ О