Устройство для измерения давления Советский патент 1977 года по МПК G01L9/04 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления жидких и газообразных сред в условиях повышенных и быстроменяющихся температур. Известны устройства для изменения давления, в которых осуществляется компенсация температурной погрещности тензодатчиков за счет температурного изменения сопротивления дополнительных термозависимых резисторов так или иначе подключенных к мостовой схеме тензодатчика, либо 10 посредством введения поправки в выходной сигнал, вырабатьшаемьш в зависимости от температуры, при которой работает датчик 1. Наиболее близким по технической сущности к 15 предлагаемому устройству является устройство, содержащее два рабочих тензорезистора и два пассивных, соединенных по мостовой схеме 2. Выход мостовой схемы соединен с вольтметром. Ток, потребляемый мостовой схемой от источника 20 напряжения, измеряется миллиамперметром, включенным в неразветвленную цепь мостовой схемы. Вольтметр и миллиамперметр охвачены системой обратной связи, содержащей вычислитель и электронные усилители.25 5 Выходной сигнал схемы, зависящий от давления и температуры, измеряется вольтметром. Под действием температуры окружающей среды изменяется сопротивление тензорезисторов и соответственно изменяется ток, потребляемый схемой от источника питания. Поскольку тензорезисторы, включенные в соседние плечи моста, под действием давления получают одинаковые по велнчине и противоположные по знаку приращения сопротивлений, то ток в неразветвленной депи будет зависеть только от температуры и не будет зависеть от давления. Зависимость указанного тока от температуры используется в вычислительном блоке известного устройства для выбора соответствующего коэффициента температурной поправки, в результате чего на выходе вычислительного блока формируется сигнал температурной поправки, используемый для коррекции показаний вольтметра. В известных устройствах невозможно осуществить с достаточной точностью компенсацию температурной погрешности тензодатчика в условиях повышенных температур н особенно в переходном тепловом режиме. Пель изобретения - повьпиенне точности измерения давления и расширение рабочего диапазона температур. Это достигается тем, что устройство для измерения давления, содержащее чувствительный элемен1 с двумя рабочими тензорезисторами, два компенсирующих тензорезистора, включенные в мостовую измерительную схему, снабжено генератором импульсов, выход которого соединен с шестью ключевыми схемами, неинвертирующими масштабным усилителем переменного тока, инвертируютпим масштабным усилителем переменного тока, множительным устройством и сумматором, причем, четыре ключа включены в плечи мостовой схемы, выход которой соединен с входом пятого и шестого ключей, выход пятого ключа соединен с входом неинвертирующего масштабного усилителя переменного тока, выход которого соединен с первым входом множительного устройства и первым входом сумматора, выход шестого ключа соединен с входом инвертирующего масштабного усилителя переменного тока, выход которого соединен с вторым входом множительного устройства, выход множительного устройства соединен с вторым входом сумматора. На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства. Предлагаемое устройство для измерения давления содержит два рабочих тензорезистора Z j и Z4 и два пассивных тенэорезистора Zj и Zs, образующих мостовую схему 1, генератор тактовых импульсов 2, который управляет шестью ключевыми устройствами 3-8, неинвертирующий масштабный уси.лигель переменного тока 9, инвертирующий масштабньш усилитель переменного тока 10, множительное устройство 11 и сумматор 12, причем ключи 3-6 включены в плечи мостовой схемы 1, выход которой соединен с входами ключей 7 и 8, выход ключа 7 соединен с входом неинвертирующего масштабного усилителя переменного тока 9, выход которого соединен с первым входом множительного устройства 11 и первым входом сумматора, выход ключа 8 соединен с входом инвертирующего масштабного усилителя переменного тока 10, выход которого соединен с вторым входом множительного устройства 11, выход последнего соединен с вторым входом сумматора 12. Предлагаемое устройство для измерения давления работает следующим образом. Активные тензорезисторы Zj и Z4 под действием давления получают приращения AZpi и AZp,paBHbie по величине и противоположные по знаку, а под действием температуры - приращения AZtj и AZt4 одинаковые по величине и знаку. Для формирования температурной поправки к выходному сигналу необходимо с мостовой схемы 1 получить два линейнонезависимых сигнала, являющихся функциями давления и температуры. С этой целью в мостовую схему введены ключи 3-6, управляемые генератором тактовых импульсов 2. Работа ключей осуществляется два такта. В первом такте открыты ключи 3 и 6, тим обеспечивается соединение точек а и с, d и b и мостовой схемы поступает сигнал Uj ip i (Р-1), во тором такте открьпы ключи 4, 5, при этом обеспеивается соединение точек аи d, с и Ь и мостовой схемы поступает сигнал U, v, (р, t). Известные из теории мостовых схем выражения ля выходных сигналов Ui и U, при условии, что опротивление ключей в открытом состоянии знаительно меньпк, а в закрьпом состоянии значиельно больше сопротивления тензорезистора, имет вид .ZA2.p 2;(2Z -AZtf-uZp -2Z;(Z,+4Z-fc)Z,()-4Zp (lZu-Z..p) 2.„Г(2г +AZ.t) -л2,р -«-2г(2, +&Zi)( где Un - напряжение питания мостовой схемы; ZH - сопротивление нагрузки мостовой схемы; Z -номинальное значение сопротивления плеча мостовой схемы. Как видно из формул (1) и (2), напряжение U, приблизительно пропорционально измеряемому давлению и равно нулю при AZp О, т.е. при отсутствии давления, а напряжение U, зависит в основном от температуры и с точностью до малой второго порядка, обусловленной членом AZp, равно нулю при отсутствии изменений температуры, т.е. когда AZt 0. Это позволяет использовать сигнал U, для осуществления температурной коррекции сигнала Если решить совместно уравнения (1) и (2), то выражение для скорректированного напряжения и, к имеет вид (с точностью до малой второго порядка)и I2. Z., / Таким образом, для получения скорректированного (не зависящего от температуры) напряжения Uij. действительное напряжение U, должно быть умножено на коэффициент .к,. ( то формуле (3) можно Поскольку придать вид TJi /azn- 3z.| U,K uJ (5) Л н /J или ,

гдеj.2ZH43Z .

и„ 2„

Работа устройства протекает в соответствии с алгоритмом (6) и поясняется с помощью временных диаграмм.

В течение первого такта открыты ключи 3, 6 и 7 и вькодное напряжение мостовой схемы (см. фиг. 2, а) поступает на вход неинвертнрующего масштабного усилителя переменного тока 9. Во втором такте открыты ключи 4, 5 и 7 и выходной сигнал мостовой схемы Uj (см. фиг. 2, б) поступает на вход инвертирующего масштабного усилителя переменного тока 10.

Выходной сигнал усилителя 9 (см. фиг. 2, в) в виде последовательности двуполярньгх импульсов поступает на первьш вход множительного устройства 11 и на первый вход сумматора 12. Выходной сигнал усилителя 10 в виде последовательности двухполярных импульсов (см. фиг. 2, г) поступает на второй вход множительного устройства 11, с выхода которого сигнал произведения поступает на второй вход сумматора 12.

Таким образом, на выходе сумматора образуется сигнал UK п (DI + KUj U,), пропорциональньш скорректированному выходному напряжению мостовой схемы.

Использование новых элементов и связей позволяет повысить точность измерения давления в переходном и установившемся тепловых режимах датчика и расширить рабочий диапазон температур посредством непрерьтной вьфаботки поправочного сигнала по давлению как в условиях установившегося, так и в условиях переходного теплового режима при любых температурах чувствительного элемента и уменьшить зависимость сигналов от колебаний напряжения питания, так как оба сигнала, необходимые для выработки коррекции, снимаются с диагонали моста и испьггьшают влияние нестабильности напряжения питания в равной степени, но в значительно меньшей, чем сигнал, регистрируемый миллиамперметром в прототипе.

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее чувствительный с двумя рабочими тензорезисторами, два компенсирующих тензорезистора, включенные в мостовую измерительну схему отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения и расширения рабочего диапазона температур, оно снабжено генератором импульсов, выход которхэго соединен с шестью ключевыми схемами, 1швертируюшдм и неинвертируюидам MacmTaOHbiNm усилителями переменного тока, множительным устройством и сумматором, причем четыре ключевые схемы включены в плечи мостовой схемы, выход которой соединен с входами пятой и шестой ключевой схемы, выход пятой ключевой схемы соединен с входом неинвертирующего масшггабного усилителя переменного тока, выход которого соединен с первым входом множительного устройства и первым входом сумматора, выход шестой ключевой схелат соединен с входом инвертирующего масштабного усилителя переменного тока, выход которого соединен с вторым входом множительного устройства, выход последнего соединен с вторым входом сумматора.

Источники информации, принятые во вш Mamie при экспертизе:

Фиг. 2