Устройство для измерения давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения, контроля и регулирования давления.

Известно устройство для измерения давления, содержащее тензопреобразова- тель, источник питания тензопреобразова- теля, датчик температуры и резисторы, включенные в цепь обратной связи первого и второго операционных усилителей, дифференциальный усилитель и усилитель напряжения .смещения. , Недостатком устройства является низкая точность преобразования, обусловленная использованием внешнего (не имеющего достаточно удовлетворительного теплового контакта с кристаллом тензопреобразователя) датчика температуры, что предполагает значительное отличие температуры кристалла тензопреобразователя от температуры датчика температуры. Это вносит существенную погрешность при измерении давления в проточных, системах, например, в газовых магистралях микрокриогенных систем, поскольку температура чувствительного элемента тензопреобразователя при неустановившемся процессе может существенно отличаться от температуры датчика температуры.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для измерения давления, содержащее источник термозависимого напряжения, усилитель, тензопре- образователь, дифференциальный усилитель и амплитудный модулятор. Недостатком устройства является низкая точность измерения, вследствие необходимости использования в составе термозависимого источника и амплитудного модулятора внешних по отношению к чувствительному элементу тензопреобразователя терморезисторов. Отличие температур указанных элементов из-за конечных значений тепловых сопротивлений между ними определяет погрешность, значение которой становится существенным при измерении давления в проточных системах.

Цель изобретения - повысить точность измерения давления в потоках жидкостей и газов.

Для решения данной задачи устройство, содержащее источник питания, операционный усилитель и тензопреобразователь, выход которого связан через дифференциальный усилитель с выходом устройства, снабжается аналоговым сумматором, источником напряжения смещения и измерительным мостом, плечи которого образованы, соответственно, введенными в устройство

первым, вторым, третьим резисторами и цепочкой из последовательно соединенных входной диагонали тензопреобразователя и введенного четвертого резистора, в выходную диагональ измерительного моста включен операционный усилитель, соединенный неинвертирующим входом с точкой соединения первого и второго резисторов, инвертирующим - с точкой соединения третьего

0 резистора и тензопреобразователя, а выходом - с точкой соединения тензопреобразователя и четвертого резистора измерительного моста, входная диагональ измерительного моста одним выводом, об5 разованным соединением первого и третьего резисторов, подключена к источнику питания, а другим, образованным соединением второго и четвертого резисторов - к первому входу аналогового сумматора, вто0 рой вход которого подключен к выходу источника напряжения смещения, а выход- ко входу смещения дифференциального усилителя, при этом аналоговый сумматор выполнен на введенных в устройство втором

5 операционном усилителе и пятом, шестом, и седьмом резисторах, пятый резистор включен в цепь отрицательной обратной связи второго операционного усилителя, выход которого является выходом аналого0 вого сумматора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, его инвертирующий вход соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов, вторые выводы кото5 рых являются, соответственно, первым и вторым входами аналогового сумматора.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство для измерения давления со0 держит источник питания 1, источник смещения 2, сумматор 3, дифференциальный усилитель 4, выход 5, измерительный мост 6 с операционным усилителем 7, тензопреоб- разователем 8 и резисторами 9, 10, 11, 12.

5 Аналоговый сумматор 3 образован операци- онным усилителем 13, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход подключен к первому и второму входам сумматора, соответственно

0 через резисторы 14 и 15, а выход - через резистор 16 к инвертирующему входу операционного усилителя 13 и является выходом сумматора, Измерительный мост 6 образован резисторами 9-12, тензопреобра5 зователем 8. При этом резисторы 9-11 и последовательно включенные резистор 12 и тензопреобразователь 8 являются плечами измерительного моста 6. Операционный усилитель 7 включен в его выходную диагональ и подключен неинвертирующим входом к точке соединения резисторов 9 и 10, инвертирующим - к точке соединения резистора 11 и тензопреобразователя 8, а своим выходом соединен сточкой соединения тензопреобразователя 8 и резистора 12. Вход- ная диагональ измерительного моста 6 одним выводом, образованным соединением резисторов 9 и 11, подключена к источнику питания 1, а другим, образованным соединением резисторов 10 и 12, подключе- на к второму выводу резистора 14, являющемуся первым входом сумматора 3. Второй вход сумматора 3 (второй вывод резистора 15) подключен к выходу источника смещения 2, а выход - к входу смещения дифференциального усилителя 4. Выход тензопреобразователя 8 соединен с входом дифференциального усилителя 4, выход которого является выходом устройства.

Устройство для измерения давления ра- ботает следующим образом.

После подачи напряжения измерительный мост 6 устанавливается в состояние баланса вследствие наличия отрицательной обратной связи, которой охвачен операци- онный усилитель 7 через тензопреобразова- тель 8. При этом измерительный мост 6 оказывается включенным между выходом источника питания 1 и общей шиной через резистор 14, так как на инвертирующем вы- ходе операционного усилителя 13, охваченного отрицательной обратной связью, присутствует нулевое напряжение, равное напряжению на его неинвертирующем входе.

Через тензопреобразователь 8 протекает ток lo

lo UOx

R1

R4

R3 v Rs(R2 +R4) +R4(R1 + R2 ) -RsRtRl/R3

0)

где Uo - выходное напряжение источника питания 1 измерительного моста 6;

Ri, R2, Rs, R4, RS - сопротивления рези- сторов 9-12, 14 соответственно;

Rt - входное сопротивление тензопреобразователя 8.

При изменении температуры тензопреобразователя, например, в сторону увеличе- ния, происходит снижение чувствительности тензопреобразователя 8 как датчика давления. При этом сопротивление входной диагонали тензопреобразователя 8, являющееся информативным параметром температуры его чувствительного элемента, возрастает. Ток I, протекающий через тензопреобразователь 8, увеличивается за счет наличия по- ложительной обратной связи через резисторы 10, 12 и 14 в соответствии с

5 10 15

20

25 30 35

:

,40

45

50 55

выражением (1). Следует отметить, что при разрыве положительной обратной связи путем исключения, например, резистора 12, ток через преобразователь 8 оставался бы на неизменном уровне (независимо от входного сопротивления Rt тензопреобразователя 8) за счет наличия только отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель 7. С увеличением тока I тензопреобразователя 8 повышается и устанавливается близкой к первоначальному значению. Таким образом осуществляется компенсация изменения тен- зочувствительности тензопреобразователя 8. Поступающее на первый вход аналогового сумматора 3 (первый вывод резистора 14) напряжение 1, равное

Ui-Uo(1R4(R1+R2) N R5 ( R2 + R4 ) + R4 ( R1 + R2 ) - R5 Rt R1/R3

(2)

является функцией от температуры тензопреобразователя 8, с увеличением которой оно уменьшается. В свою очередь, начальное напряжение смещения U см выходного напряжения тензопреобразователя 8 также является функцией температуры, с повышением которой оно также уменьшается. Выходное напряжение 2 сумматора 3 увеличивается, так как аналоговый сумматор выполнен по типу инвертирующего усилителя, и поступает на вход смещения дифференциального усилителя 4. Функция преобразования дифференциального усилителя 4, выполненного по схеме, приведенной на фиг.2, имеет вид

Увых. K(Ua-Ub)+U2,(3)

где Ua и Ub - напряжения на дифференциальном выходе тензопреобразователя;

К - коэффициент дифференциального усилителя 4,

Таким образом, благодаря увеличению напряжения 1)2 на входе смещения дифференциального усилителя с ростом температуры тензопреобразователя 8 осуществляется компенсация уменьшения начального напряжения смещения UCM выходного сигнала тензопреобразователя, т.е. происходит исключение мультипликативной составляющей изменения напряжения смещения тензопреобразователя 8 от температуры. Аддитивная составляющая этого напряжения, не зависящая от температуры, исключается подачей на второй вход сумматора 3 выходного напряжения источника смещения 2.

Регулировка устройства осуществляется следующим образом.

Коэффициент усиления К дифференциального усилителя 4 задается в соответствии с требуемым уровнем выходного напряжения устройства. Сопротивления резисторов 9, 11,14 выбираются постоянными и не зависят от типа и градуировочных характеристик тензопреобразователя 8. Сопротивление рези сторов 10 и 12 рассчитываются или подбираются экспериментально и определяют начальный ток через датчик и его изменение в диапазоне

0

рабочих температур. После установки требуемой чувствительности тензопреобразователя 8 устанавливается значение сопротивления резистора 14, определяющего коэффициент изменения напряжения U2 на входе смещения дифференциального усилителя от температуры. Последним определяется сопротивление резистора 15, обеспечивающее исключение остаточного напряжения смещения, приведенного к выходу дифференциального усилителя 4.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения, контроля и регулирования давления. Цель изобретения - повышение точности измерения давления в потоках жидкостей и газов. Сущность изобретения: устройство для измерения давления содержит источник питания 1, источник смещения 2, аналоговый сумматор 3, дифференциальный усилитель 4 с выходом 5, измерительный мост 6 с операционным усилителем 7, тензопреобразователем 8 и резисторами 9-12. Аналоговый сумматор 3 образован операционным усилителем 13 и резисторами 14-16. Устройство обеспечивает коррекцию температурной погрешности тензопреобразователя 8 за счет введения положительной обратной связи операционного усилителя измерительного моста 6. В качестве информативного параметра использована зависимость сопротивлениявходной диагонали тензопреобразователя от температуры его чувствительного элемента. Положительный эффект: благодаря введению в электрическую схему устройства аналогового сумматора 3, источника смещения 2 и измерительного моста 6, обеспечивается компенсация аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности тензопреобразователя. 1 ил. ел с

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее источник питания, операционный усилитель и тензопреобразователь, выход которого связан через дифференциальный усилитель с выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения давления в потоках жидкостей и газов, оно снабжено аналоговым сумматором, источником напряжения смещения и измерительным мостом, плечи которого образованы соответственно введенными в устройство первым, вторым, третьим резисторами и цепочкой из последовательно соединенных входной диагонали тензопреобразователя и введенного четвертого резистора, в выходную диагональ измерительного моста включен операционный усилитель, соединенный неинвертирующим входом с точкой соединения первого и второго резисторов, инвертирующим - с точкой соединения третьего резистора и тензопреобразователя, а выходом - с точкой соединения тензопреобразователя и четвертого резистора измерительного моста, входная диагональ измерительного моста одним выводом, образованным соединением первого и третьего резисторов, подключена к источнику питания, а другим, образованным соединением второго и четвертого резисторов,- к первому входу аналогового сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника напряжения смещения, а выход - к входу смещения дифференциального усилителя, при этом аналоговый сумматор выполнен на введенных в устройство втором операционном усилителе и пятом, шестом и седьмом резисторах, пятый резистор включен в цепь отрицательной обратной связи второго операционного усилителя, выход которого является выходом аналогового сумматора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, его инвертирующий вход соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами аналогового сумматора,