Устройство для измерения давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах, применяемых для измерения давления в различных областях народного хозяйства.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет измерения избыточного давления и разности давлений.

Общими признаками прототипа и заявляемого устройства являются емкостный датчике двумя конденсаторами, имеющими общий вывод, источник опорного напряжения, подключенный к первому выводу первого двухпозиционного переключателя и первому масштабному преобразователю, выход которого соединен с первым выводом второго двухпозиционного переключателя, второй вывод первого двухпозиционного переключателя соединен с общей шиной, а третий вывод - с выводом опорного конденсатора емкостного датчика, первый усилитель с емкостной обратной связью, вход которого подключен к общему выводу конденсаторов емкостного датчика, а выход - через переходный конденсатор, с первым выводом третьего двухлозиционного переключателя, второй операционный усилитель с емкостной обратной связью, выход которого через второй масштабный преобразователь соединен со вторым выводом второго двухпозиционного переключателя, генератор, подключенный к управляющим входам двухпозиционных переключателей. Устройство отличается тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй измерительной конденсатор емкостного датчика, третий и четвертый масштабные преобразователи, четвертый, пятый, шестой и седьмой двухпо- зиционные переключатели, третий операционный усилитель с емкостной обратной связью, вычитающее устройство, при этом вход третьего масштабного преобразователя подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход - к первому выводу седьмого двухпозиционного переключателя, второй вывод которого через пятый двух- позиционный переключатель подключен к выводу второго измерительного конденсатора, второй вывод которого соединен с входом первого операционного усилителя, выход третьего операционного усилителя соединен через четвертый масштабный пре-.

Ё

со

CJ

g

VI

образователь с третьим выводом двухпози- ционного переключателя и с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, входы второго и третьего операционных усилителей соединены с выводами шестого двухпозиционного переключателя, третий вывод которого подключен ко второму выводу третьего двухпозиционного переключателя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема емкостного преобразователя давления; на фиг.2 -диаграммы работы устройства.

Преобразователь содержит опорный 1 и первый измерительный 2 конденсаторы емкостного датчика, источник опорного напря- жения 3, первый двухпозицийнный переключатель 4, первый масштабный преобразователь 5, второй двухпозиционный переключатель 6, первый операционный усилитель 7с конденсатором 8 в цепи обратной связи, переходный конденсатор 9, третий двухпозиционный переключатель 10, второй операционный усилитель 11 с кон- денсатором 12 в цепи обратной связи, второй масштабный преобразователь 13. генератор импульсов 14, второй измерительный конденсатор 15 датчика, третий масштабный преобразователь 16, четвер- тый масштабный преобразователь 17, четвертый 18, пятый 19, шестой 20 и седьмой 21 двухпозиционные переключатели, третий операционный усилитель 22 с конденсатором 23 в цепи обратной связи и вычитающее устройство 24.

Генератор импульсов 14 управляет работой семи двухпозиционных переключателей. Вход первого двухпозиционного переключателя 4 подключен к источнику опорного напряжения 3 и первому масштаб- ному преобразователю 5, выход которого соединен с вторым двухпозиционным переключателем 6. Второй вход первого двухпозиционного переключателя 4 соединен с общей шиной, а выход с опорным конденсатором 1, емкостного датчика. Вход первого операционного усилителя 7 с емкостной обратной связью 8 подключен к общему выводу конденсаторов емкостного датчика, а выход через переходный конденсатор 9 - к входу третьего двухпозиционнсго переключателя 10,. Выход второго операционного усилителя 11 с емкостной обратной связью 12 через второй масштабный преобразова- тёль 13 соединен со входом второго двухпо- зиционнйго переключателя 6. Выход пятого двухпозиционного переключателя 19 соединен с вторым измерительным кондёнсато- ром 15 емкостного датчика. Входы пятогр

двухпозиционного переключателя 19 соединены соответственно с общей шиной и с выходом седьмого двухпозиционного переключателя 21, первый вход которого соединен с выходом третьего масштабного преобразователя 16, а второй через четвертый масштабный преобразователь 17с выходом третьего операционного усилителя 22 с емкостной обратной связью 23. Вход третьего масштабного преобразователя 16 подключен к источнику опорного напряжения. Вход шестого двухпозиционного переключателя 20 подключен к выходу двухпозиционного переключателя 10, а выходные контакты - ко входам третьего 22 и второго 11 операционных усилителей соответственно. Выходы второго 11 и третьего 22 опера- ционных усилителей подключены к соответствующим входам вычитающего устройства 24.

Принцип действия преобразователя основан на периодическом поочерёдном урав- новешивании зарядов на опорном 1 и измерительных 2 или 15 конденсаторах. Генератор импульсов 14 управляет работой всех двухпозиционных ключей. По сигналу с генератора импульсов (фиг.2е) включаются в схему уравновешивания первый масштабный преобразователь 5, опорный конденсатор 1, первый измерительный конденсатор 2, второй операционный усилитель 11, второй масштабный преобразователь 13 или третий масштабный преобразователь 16, опорный конденсатор 1, второй измерительный конденсатор 15, третий операционный усилитель 22, четвертый масштабный преобразователь 17. Конденсатор С0 периодически заряжается до напряжения U0 и накапливает заряд равный q0 Do Co (фиг.2б). Если по сигналу с генератора импульсов подключен первый измерительный конденсатор 2, то его заряд формируется от разности двух напряжений:

Uo Кмп1 И Ul КМп2,,

где КМп1, КМп2 - коэффициенты деления масштабных преобразователей 5 и 13 соответственно.

Напряжение на выходе второго операционного усилителя 11 при каждом такте уравновешивания будет изменяться до тех пор, пока заряды на опорном и первом измерительных конденсаторах не будут равны (фиг.26), т.е.

Cp-(U0 Кмт Cxi- -Ui Кмп2 Cxi) 0,

где Со - емкость опорного конденсатора 1;

СХ1 емкость первого измерительного 2 конденсатора;

Ui - выходное напряжение второго операционного усилителя 11.5

Выражая из вышеприведенного уравнения Ui, получим:

Ui

l)o /v 4 Со ч -и--( К-мп2 С-х1/

Следовательно, Ui обратно пропорционально Cxi (фиг.2г).

Поскольку изменение Cxi также обратно фопорционально изменению измеряв- мо о абсолютного давления, то в результате получаем линейную зависимость Ui от измеряемого давления.

При подключении по сигналу от генератора импульсов 14 в цепь преобразования второго измерительного конденсатора 15 аналогично получаем на выходе третьего операционного усилителя 22 напряжение

Uo

Со

I IUo

U2 (КмпЗ - г). Кмп4 Сх2/

где КмпзЖмгИ - коэффициенты деления масштабных преобразователей 16 и 17 соответственно.

Напряжение U будет пропорционально второму абсолютному давлению (фиг.2г).

Выходным сигналом преобразователя является напряжение, равное:

.x (A-Ul-B-U2),

которое получается на вычитающем устройстве 24 (фиг.2д).

Коэффициенты А и В устанавливаются в зависимости от диапазона измеряемых давлений.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, является снижение в два раза потребности датчиков для измерения избыточного давления и разности давлений.

Фор мула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее первый измерительный конденсатор, переходный и опорный конденсаторы, первый операционный усилитель со звеном емкостной обратной связи, генератор импульсов, первый двухпозиционный переключатель, второй вывод которого подключен к общей шине, и последовательно соединенные источник опорного напряжения, первый масштабный преобразователь

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50 55

и второй двухпозиционный переключатель, к управляющему входу которого и к управляющему входу первого двухпозиционного переключа геля подключены выходы генератора импульсов, причем переходный конденсатор соединен с выходом первого операционного усилителя, инверсный вход которого подключен к общему выводу первого измерительного и опорного конденсаторов, а прямой вход первого операционного усилите ля подключен к обшей шине, отличающее- с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет одновременного измерения избыточного давления и разности давлений, в него нзеряны второй измерительный конденсатор, вьи:од которого соединен с общим выводом первого измерительного и опорного конденсаторов, второй и третий операционные усилители со звеньями емкостной обратной связи, прямые входы которых подключены к общей шине, второй, третий и четвертый масштабные преобразователи, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой двухпозиционные преобразователи,«управляющие входы которых соединены с выходами генератора импульсов, и вычитающее устройство, к входам которого и входам второго и четвертого масштабных преобразователей подключены выходы соответственно второго и третьего операционных усилителей, инверсные входы которых соединены соотеетственйо с вторым и первым вы водами шестого двухпозиционного переключателя, третий вывод которого подключен к первому выводу/, третьего двухпозиционного переключателя, третий вывод которого и третьи выводы первого, второго, четвертого, пятого и седьмого двухпозиционных переключателей соединены соответственно с выводом переходного конденсатора, выводом опорного конденсатора, первым выводом четвертого двухпозиционного переключателя, выводом первого измерительного конденсатора, выводом второго измерительного конденсатора и первым выводом пятого двухпозиционного переключателя, второй вывод которого и вторые выводы четвертого и второго двухпозиционных переключателей подключены к общей шине, при этом выходы второго и четвертого масштабных преобразователей соединены с вторыми выводами соответственно двухпозиционного переключателя и седьмого двухпозиционного переключателя, первый вывод которого подключен к выходу третьего масштабного преобразователя, вход которого и первый вывод первого двухпозиционного переключателя соединены с выходом источника опорного напряжения.

Сущность изобретения: устройство содержит опорный конденсатор, два измерительных конденсатора, источник опорного напряжения, семь двухпозиционных переключателей, четыре масштабных преобразователя,переходный конденсатор, генератор импульсов, три операционных усилителя со звеном емкостной обратной связи, вычитающее устройство. 2 ил.